DE3909261A1 - Verfahren und system zum regeln der eingangsleistung einer elektrischen heizvorrichtung, insbesondere eines elektroherdes - Google Patents
Verfahren und system zum regeln der eingangsleistung einer elektrischen heizvorrichtung, insbesondere eines elektroherdesInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Leistungsschaltanord
nung, bei der wenigstens eine piezoelektrische Relaisein
richtung benutzt wird, und betrifft insbesondere die
Steuerung einer besonderen Art von Vorrichtung mittels ei
ner solchen Einrichtung.
Piezoelektrische Relaiseinrichtungen sind bekannt als Ein
richtungen, mittels welchen ein Stromfluß zu einer Bela
stungsvorrichtung entweder eingeleitet oder unterbrochen
wird. Eine bekannte piezokeramische Relaiseinrichtung für
diesen Zweck ist in den beiden US-PS 46 70 782 und 46 89 517,
die beide auf die Anmelderin zurückgehen, beschrieben. Die
Relaiseinrichtung enthält ein piezokeramisches Biegeteil,
das aus wenigstens zwei ebenen, vorgepolten, piezokerami
schen Plattenelementen gebildet ist, die in entgegenge
setzter Parallelanordnung, sandwichartig auf entgegengesetz
ten Seiten von wenigstens einer zentralen, leitfähigen
Oberfläche befestigt sind und äußere leitfähige Oberflächen
haben, welche von einander und von der zentralen, leit
fähigen Oberfläche durch die dazwischen befindlichen Dicken
der piezokeramischen Plattenelemente getrennt sind. Beweg
liche Kontakte, die dem beweglichen Biegeteil zugeordnet
sind, wirken mit zugeordneten festen Kontakten zusammen,
um einen elektrischen Stromkreis für einen Stromfluß von ei
ner Stromquelle zu der Belastungsvorrichtung entweder zu
schließen oder zu unterbrechen. Eine repräsentative Form
dieser Art von Relaiseinrichtung, wie sie in den oben er
wähnten US-Patentschriften beschrieben ist, hat ein piezo
keramisches Biegeteil, welches mit Klemmeinrichtungen se
lektiv vorgepolt ist, die an ungepolten Teilen befestigt
sind, welche dem selektiv vorgepolten Biegeteil benach
bart sind und dieses einseitig eingespannt mechanisch hal
tern, um Paare von zusammenwirkenden elektrischen Kon
takteinrichtungen zu betätigen, wobei die ungepolten Tei
le mechanisch unbeansprucht und elektrisch neutral sind.
Das Biegeteil ist so ausgebildet, daß es zur einen oder
anderen Seite einer Mittelposition bewegt wird, welche das
Biegeteil in einem unerregten Zustand normalerweise ein
nimmt, um dadurch unterschiedliche Betriebsarten zu er
möglichen. In einer Betriebsart kann die Relaiseinrichtung
einfach als ein Ein/Aus-Schalter dienen, wobei ein Paar
zusammenwirkender Schalterkontakte den elektrischen Strom
kreis in bezug auf die Belastungsvorrichtung entweder her
stellt oder unterbricht. In einer anderen Betriebsart je
doch ist das Paar zusammenwirkender Schalterkontakte auf
jeder Seite des Biegeteils vorgesehen, um eine wahlweise
Speisung von mehreren Belastungsvorrichtungen zu ermög
lichen. Beide Betriebsarten mit den bekannten Biegeschalt
einrichtungen "bimorphen" Typs ergeben sich auf ähnliche
Weise, wenn das Gleichstromerregerpotential, das benutzt
wird, um die Auslenkung des Biegeteils zu bewirken, die
selbe Polarität wie das Vorpolungspotential
hat, das benutzt wird, um die vorgepolten, piezokeramischen
Plattenelemente vorzupolarisieren. Die Depolarisation
die durch derartiges Betreiben der Relaiseinrichtungen ver
mieden wird, ergibt eine Dipolverstärkung, welche einen
relativ langfristigen Betrieb bei Belastungsvorrichtungen
ermöglicht, bei denen Lastspannungen von bis zu 5000 Volt
und entsprechend starke Ströme von hunderten von Ampere
benutzt werden.
Bei beiden oben beschriebenen Betriebsarten hat es sich ge
zeigt, daß diese piezokeramischen Relaiseinrichtungen die
größten Betriebs- und Konstruktionsvorteile gegenüber ent
weder elektromagnetischen Relais oder Halbleitereinrich
tungen erbringen, wenn sie für Leistungsschaltzwecke ein
gesetzt werden. Diese Vorteile sind in der US-PS 46 58 154,
die ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht, beschrieben,
welche außerdem piezokeramische Relaisschaltkreise be
schreibt, die zum Steuern von Einzel- und Doppelbelastungs
vorrichtungen benutzt werden. Die elektromagnetischen Re
lais, die für diesen Zweck noch weitgehend benutzt werden,
bilden eine Schnittstelle zum Beispiel zwischen einer
elektronischen Steuerschaltung und einem Belastungskreis,
wobei die Steuerschaltung die Steuersignale niedriger Lei
stung zum wahlweisen Erregen der Relaisspule benutzt, um
die Relaiskontakte geeignet zu positionieren, welche in
dem Leistungskreis zusammenwirken, und relativ höhere Lei
stungswerte zu schalten. Wenn solche Relaiskontakte ge
schlossen sind, wird der Strom praktisch ohne Verluste
übertragen, und, wenn sie getrennt werden, wird der Last
strom mit der Gewißheit unterbrochen, die nur ein Luft
spalt bieten kann. Mit den Jahren haben Verbesserungen bei
den elektromagnetischen Relais zu größerem Wirkungsgrad
und zu geringerer physischer Größe geführt. Das heißt,
diese Relais können mit Steuersignalen ziemlich geringen
Energieinhalts betätigt werden, um akzeptabel hohe Werte
des Laststroms zu schalten. Zum Beispiel gibt es elektro
magnetische Relais, die mit einem 1-Watt-Steuersignal be
tätigt werden können, um mehrere Kilowatt Leistung bei
115 oder 230 Volt Wechselspannung zu schalten. Infolgedes
sen können elektromagnetische Relais mit Signalen betätigt
werden, die durch eine Festkörpersteuerschaltungsanord
nung erzeugt werden. Andererseits bleiben die Nachteile
beträchtlich, welche mit elektromagnetischen Relais verbun
den sind, die zum Steuern eines Stromflusses in Lastkreisen
aufgrund von Steuersignalen benutzt werden. Die gegenwärtigen
elektromagnetischen Relais sind zwar im Vergleich zu früheren
Konstruktionen der Relais miniaturisiert worden, die zu
ihrer Betätigung erforderlichen Leistungen sind aber im
Vergleich zu bekannten Festkörperleistungsschaltern beispiels
weise immer noch ziemlich groß. Die gegenwärtigen elektro
magnetischen Relais sind noch relativ komplex und teuer
in der Herstellung, da beispielsweise ihre Spulen üblicher
weise eine Vielzahl von Windungen sehr feinen Drahtes er
fordern. Der Spulenwiderstand verbraucht eine gewisse Lei
stung, die durch eine akzeptabel starre Stromversorgung
geliefert werden muß. Wenn beispielsweise elektromagne
tische Relais in den Steuereinrichtungen von Haushaltsge
räten benutzt werden, muß die Relaisbetätigungsleistung
einem 115- oder 230-Volt-Wechselstromnetz entnommen wer
den. Die erforderliche Stromversorgung, insbesondere wenn
ein elektromagnetisches Relais mit einer Festkörpersteuer
schaltung verbunden ist, verlangt einen Transformator,
Elektrolytkondensatoren, Regler und Schutzeinrichtungen,
damit das Vorhandensein einer zuverlässigen Quelle für den
Relaisbetätigungsstrom gewährleistet ist. Solche Stromver
sorgungen sind teuer und stellen eine beträchtliche Ver
lustleistungsquelle dar. Darüber hinaus müssen in einigen
Fällen, in denen starke Umgebungsmagnetfelder vorhanden
sind, beispielsweise bei Motoranlassern, die elektromag
netischen Relais speziell abgeschirmt werden, um Fehlan
sprechen zu vermeiden. Die Nachteile, die mit der Ver
wendung von elektromagnetischen Relais in einer Leistungs
schaltanordnung verbunden sind, haben dadurch zu dem Trend
geführt, Festkörperschalter wie Thyristoren, Triacs, MOSFETs,
IGTs und dgl. als Leistungsschaltausgangseinrichtung zu
benutzen. Solche Festkörperschalter werden zwar relativ
billig und können eine kleinere physische Größe als elek
tromagnetische Relais vergleichbarer Nennleistung haben,
sie weisen jedoch einen ziemlich beträchtlichen "Ein"-Wi
derstand auf, der bei höheren Stromstärken zu beträcht
licher Verlustleistung führt. Daher müssen Halbleiterlei
stungsschalter, welche zum Schalten von starken Strömen
benutzt werden, mit einer richtigen Wärmeableitung versehen
sein, um sie vor thermischer Beschädigung zu schützen,
weshalb sie mit ihren Wärmeableitern physisch mehr Raum ein
nehmen können als ihre als elektromagnetische Relais aus
gebildeten Gegenstücke. Darüber hinaus müssen Festkörper
leistungsschalter gegen mögliche Beschädigung bei Fehlan
sprechen infolge von transienten, elektrostatischen Ent
ladungen und elektromagnetischer Störung geschützt werden.
Alle diese Schutzmaßnahmen bringen zusätzliche Kosten mit
sich. Da solche Festkörperleistungsschalter keinen Luft
spalt aufweisen, um den Stromfluß in ihrem "Aus"-Zustand
zu unterbrechen, und wegen ihres Fehlbetriebes im "Ein"-
Zustand hat das Versicherungslabor (Underwriters Laboratory)
ihren Einsatz in zahlreichen Haushaltsgeräten mißbilligt.
Diese Mißbilligung ist nur zum Teil mit einer Kombination
aus Festkörperschaltern und in Reihe geschalteten elek
tromagnetischen Relais, um so den verlangten Luftspalt zu
schaffen, bei einigen Haushaltsgeräten überwunden worden.
Sämtliche vorgenannten Hauptnachteile, die mit der Ver
wendung von entweder elektromagnetischen Relais oder Halb
leiterschaltern als Leistungsschaltausgangseinrichtung
verbunden sind, haben erneutes Interesse an piezoelektri
schen Relais einschließlich piezokeramischen Relaiseinrich
tungen geweckt. Die jüngsten Verbesserungen der piezokera
mischen Materialien haben deren elektromechanischen Wir
kungsgrad für diese Relaiszwecke verbessert. Piezo
keramische Antriebselemente können aus einer Anzahl von unter
schiedlichen polykristallinen Keramikmaterialien wie Barium
titanat, Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat und dgl. her
gestellt werden, welche in eine gewünschte Gestalt, z.B. zu
rechteckigen Keramikplatten, vorgegossen und gebrannt wer
den. Die piezokeramischen Relaiseinrichtungen erfordern
einen sehr niedrigen Betätigungsstrom, haben eine minimale
Verlustleistung beim Aufrechterhalten eines betätigten
Zustands und ziehen in ihrem Ruhe- oder unerregten Zustand
keinen Strom. Die elektrischen Eigenschaften der piezo
keramischen Antriebselemente sind grundsätzlich kapazitiver
Natur, weshalb piezokeramische Antriebselemente gegen umge
bende elektrische Felder praktisch immun sind. Solche
piezokeramischen Relaiseinrichtungen können in kleineren
physischen Größen als elektromagnetische Relais vergleich
barer Nennleistung hergestellt werden. Da bei den piezo
keramischen Relaiseinrichtungen Schaltkontakte benutzt
werden, ergibt die Kontakttrennung den Luftspalt in dem
Lastkreis, der bei Haushaltsgeräten für die Anerkennung
durch das Versicherungslabor erforderlich ist. Das Schließen
dieser Relaiskontakte ergibt einen Strompfad mit ver
nachlässigbarem Widerstand und bringt daher, anders als
Festkörperleistungsschalter, praktisch keinen Verlust in
dem Lastkreis mit sich. Da sich zusätzliche konstruktive
und betriebsmäßige Vorteile von solchen verbesserten piezo
keramischen Relaiseinrichtungen in den oben erwähnten
US-PS 46 70 682 und 46 89 517 finden, wird auf diese be
züglich weiterer Einzelheiten ausdrücklich verwiesen.
Die Eignung von solchen piezokeramischen Relaisein
richtungen beim Steuern des Stromflusses innerhalb einer
besonderen Vorrichtung erfordert verständlicherweise die
Beachtung von noch weiteren Faktoren. Sowohl die Betriebs
eigenschaften, die bei der Vorrichtung erwünscht sind,
als auch die Umgebungsbedingungen, die angetroffen werden,
müssen berücksichtigt werden. Bei besonderen Haushalts
geräten, in denen wenigstens ein Widerstandsheizelement
benutzt wird und die für verschiedene Haushaltszwecke dienen,
wie z.B. Elektroherde, Toaster, elektrische Wäschetrockner und elek
trische Bratpfannen ist es weiter erwünscht, eine solche
Vorrichtung mit niedrigen Kosten herzustellen und dem Be
nutzer einen Betrieb zu niedrigen Kosten zu ermöglichen.
Das Erreichen des letztgenannten Ziels wird erleichtert
durch Betreiben der Haushaltsgeräte direkt an der verfüg
baren Netzspannungsstromversorgung mit einer minimalen
Anzahl und Größe von Bauteilen in der Steuerschaltungsan
ordnung und bei weiterem Reduzieren jedweder Empfindlich
keit der Steuerschaltungsanordnung gegen elektromagnetische
Störung und Übergangsvorgänge vom Netz her. Die Verwendung
von wenigstens einer piezokeramischen Relaiseinrichtung in
der Steuerschaltungsanordnung könnte theoretisch einen
Stromfluß zu einem oder mehreren betriebsmäßig zugeordneten
Widerstandsheizelementen am effizientesten gestatten, und
zwar bei relativer Immunität gegen umgebende elektromagne
tische Felder. Die piezokeramische Relaiseinrichtung ist
weiter besonders geeignet zur Verwendung in Kombination
mit elektronischen Schaltungskomponenten niedrigen Strom
verbrauches zum Erzeugen der Steuersignale zur Betätigung
des piezokeramischen Biegeteils, um dadurch zu ermöglichen,
die Relaiskontakte entweder zu öffnen oder zu schließen.
Eine Vereinfachung der Steuerschaltungsanordnung ist be
sonders bei sämtlichen oben erwähnten Haushaltsgeräten
erwünscht, weil sie gestattet, mehr Raum für Arbeitsaufga
ben zu nutzen, und es leichter macht, die gesamte Steuer
einrichtung in der Vorrichtung unterzubringen und so deren
Aussehen zu verbessern.
Verständlicherweise stellt die Fähigkeit einer piezokerami
schen Relaiseinrichtung und ihrer zugeordneten Steuer
schaltungsanordnung, in einer Umgebung relativ hoher Tem
peratur richtig zu arbeiten, einen weiteren wichtigen Ge
sichtspunkt dar. Die herkömmlichen Steuereinrichtungen, die
zur Zeit in Elektroherden benutzt werden, müssen bei einer
Mindestumgebungstemperatur von 70°C während ausgehnten
Zeitspannen arbeiten. Daher müssen die Relaiskontakte in
dieser Betriebsumgebung während der relativ langen Lebens
dauer, die von den meisten Haushaltsgeräten verlangt wird,
zuverlässig öffnen und schließen. Piezokeramische Relais
einrichtungen haben sich zwar als für einen langfristigen,
zuverlässigen Betrieb geeignet erwiesen, beträchtliche Pro
bleme sind jedoch immer noch vorhanden, die bislang nur
gemildert werden konnten, indem zusätzliche Schaltungs
einrichtungen benutzt worden sind. Insbesondere kommt es
zur Lichtbogenbildung an den Kontakten aus verschiedenen
Gründen, wenn die Relaiskontakte geöffnet und geschlossen
werden, die zusätzliche Schaltungseinrichtungen erforder
lich gemacht haben, um den Verschleiß an der Kontaktstelle
zu verringern. Das Lichtbogenproblem, das auftritt, wenn
die Kontakte geöffnet werden, ist auf einen Anstieg des
wiederangelegten Vorwärtspotentials an die Kontakte zurück
zuführen, wenn diese öffnen, was mit Snubber-Schaltungen
verringert werden kann, wie es in den beiden oben erwähnten
US-PS 46 58 154 und 46 70 682 vorgeschlagen ist. Das Licht
bogenproblem, das auftritt, wenn diese Kontakte geschlossen
werden, ist auf mechanisches Prellen bei dem Schließen
zurückzuführen, und mit diesem Problem befaßt sich die
US-PS 46 26 698, welche ebenfalls auf die Anmelderin zurück
geht. Gemäß dem darin enthaltenen Vorschlag werden neue
Nulldurchgangssynchronwechselstromschaltkreise bei einer
piezokeramischen Relaiseinrichtung einschließlich Schaltungs
einrichtungen benutzt, die am Anfang ein Erregerpotential
relativ niedriger Spannung an dem piezokeramischen Biege
teil einprägen, um dessen Bewegung sanfter zu machen und
Kontaktprellen nach anfänglichem Kontaktschließen zu verhin
dern. Es ist außerdem darin vorgeschlagen, solche Schaltungen
so zu betreiben, daß der Stromfluß über die Kontakte ge
löscht wird, wenn diese geöffnet werden, um das vorgenannte
Lichtbogenproblem zu mildern. Die Größe der beiden Licht
bogenprobleme ist anhand einer noch weiteren Empfehlung zu
erkennen, welche in dieser Druckschrift enthalten ist,
nämlich spezielle Kontaktmetalle zu benutzen, welche die
Lichtbogenbildung aushalten, zu der es immer dann kommt,
wenn die Relaiskontakte getrennt werden.
Die jüngste Gesetzgebung in vielen Staaten verlangt nun,
daß Haushaltsgeräte hinsichtlich des energetischen Wirkungs
grades Mindeststandards erfüllen. Bei den oben dargelegten
Haushaltsgeräten mit elektrischen Heizelementen verlangt
eine solche Forderung verständlicherweise die effiziente
Ausnutzung der elektrischen Energie, wann immer die beson
dere Vorrichtung in Betrieb ist. Zum weiteren Veranschau
lichen der allgemeinen Natur dieses Problems in Verbindung
mit dem Betrieb eines herkömmlichen Elektroherdes sei an
gegeben, daß in einer üblichen Steuereinrichtung ein Tem
peraturmeßelement, z.B. ein Thermostat, in Kombination mit
einer programmierten Mikroprozessorsteuereinheit benutzt
wird, um eine automatische Steuerung mit Temperaturrück
führung in bezug auf die Widerstandsheizelemente vorzu
nehmen, welche sowohl in der Kochfeld- als auch in der Backofeneinheit be
nutzt werden. Strom wird den Widerstandsheizelementen auf
grund der thermischen Steuereinrichtung zusätzlich auf der
Basis der durch die Bedienungsperson gewählten Leistungs
einstellung zugeführt. Der Prozentsatz an Zeit, während
welchem Strom gemäß der Leistungseinstellung zugeführt
wird, wird bei der bekannten Zeitverhältnisbetriebsart üb
licherweise als Tastverhältnis oder relative Einschalt
dauer bezeichnet. Da die herkömmlichen Widerstandsheiz
elemente mit beträchtlicher thermischer Trägheit arbeiten,
hat es sich jedoch erwiesen, daß eine solche thermische
Steuereinrichtung einen ziemlich schlechten energetischen
Wirkungsgrad sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Lei
stungswerteinstellungen hat. Hinsichtlich des energetischen
Wirkungsgrades bessere elektronische Steuereinrichtungen
für einen Elektroherd sind in der US-PS 44 43 690 beschrie
ben, welche ebenfalls auf die Anmelderin zurückgeht und ge
mäß welcher die Temperaturmeßeinrichtung eliminiert werden
kann. Gemäß dem verbesserten Steuersystem wird die Lei
stungseinstellung, die durch die Bedienungsperson gewählt
wird, zur Verwendung bei elektronischen Zähleinrichtungen
überwacht, welche in der Mikroprozessorsteuereinheit vor
gesehen sind und mit einer Geschwindigkeit inkrementiert
oder dekrementiert werden, welche zu der Geschwindigkeit
des Anstiegs oder der Abnahme der Temperatur des gesteuerten
Heizelements bei dieser Leistungseinstellung ungefähr pro
portional ist. Durch Kenntnis der vom Benutzer gewählten
Leistungseinstellung und durch Zählen der Nulldurchgangs
punkte in dem Mikroprozessor, wird die Leistungsaufnahme eines
besonderen Heizelements bestimmt, indem die
Wärmeverluste für verschiedene Leistungswerte empirisch
bestimmt werden und die effektive Energie in der Heizeinheit
bestimmt wird. Das bestimmt die Inkrementierungsgeschwindig
keit, und der Zählwert des Zählers wird zu einem Maß für die
effektive Energie in der Heizeinheit zu jeder bestimmten
Zeit. Wenn die thermische Masse eines besonderen Heizele
ments groß ist, können die Inkrementierungsgeschwindigkeiten
sehr genau gewählt werden, ungeachtet der Belastungszustände.
Eine Steuerung mit besserem energetischen Wirkungsgrad kann
mit dem verbesserten Steuersystem erfolgen. Wenn beispiels
weise ein gesteuertes Heizelement bereits bei einer höheren
Leistungseinstellung in Betrieb ist und die Bedienungs
person eine niedrigere Leistungseinstellung wählt, wird von
dem Heizelement erst Leistung aufgenommen, wenn sie benötigt
wird, um die niedrigere Leistungseinstellung aufrechtzu
erhalten. Andererseits führt die Wahl einer höheren Lei
stungseinstellung für ein Heizelement, das auf einer niedri
geren Leistungseinstellung betrieben wird, dazu, daß das
Heizelement die volle Leistung aufnimmt, um die Zeit zu
verringern, welche erforderlich ist, um die höhere Leistungs
einstellung zu erreichen. Da in dem verbesserten Steuer
system keine Temperaturmeßeinrichtung oder keine Temperatur
regelschaltungsanordnung, wie sie in herkömmlichen Steuerein
richtungen erforderlich ist, benutzt wird, sondern vielmehr
dieselbe Schaltungsanordnung der existierenden Mikroprozessor
steuereinheit benutzt wird, ist weiter klar, daß die zusätz
lichen Kosten für ihre Realisierung praktisch vernachlässig
bar sind.
Gemäß der oben erwähnten US-PS 46 58 154 kann der Betrieb
eines piezokeramischen Relais zug Steuern der Leistungs
aufnahme von zwei ohmschen Belastungseinrichtungen auf eine
Weise, die einen gleichzeitigen Betrieb der Belastungsein
richtungen ausschließt, mit einem Minimum an Stromverbrauch
erfolgen. Diese Betriebssteuerung der Relaiseinrichtung, wie
sie in dieser US-Patentschrift beschrieben ist, benutzt eine
für hohe Spannung ausgelegte integrierte Schaltungsanord
nung, welche direkt aus einer herkömmlichen Stromquelle
wie den verfügbaren 115-Volt- oder 230-Volt-Wechselstrom
quellen gespeist wird. Damit diese Relaissteuerschaltungs
anordnung die Leistungsaufnahme der einzelnen Heizelemente,
die nun in verschiedenen elektrischen Heizvorrichtungen
benutzt werden, effizient und zuverlässig steuert, ist es
erforderlich, daß eine Anzahl und eine Vielfalt von noch
weiteren wichtigen Kriterien erfüllt werden. Typische Kri
terien können weiter in Verbindung mit der herkömmlichen
Backofensteuereinrichtung dargestellt werden, die heutzu
tage in einem Haushaltselektroherd benutzt wird. Bei dem
Steuerungsmanagement, das in der oben erwähnten US-PS
44 43 690 sowie in anderen herkömmlichen Steuersystemen
für den Elektroherd angewandt wird, wird der Belastungs
strom der einzelnen Heizelemente durch elektromechanische
Einrichtungen geschaltet. Die Schaltfunktion wird heutzutage
entweder mit Festkörperschaltern wie Hochstromtransistoren,
Triacs, usw. oder mit elektromagnetischen Relais ausgeführt.
Die Festkörperschaltvorrichtungen erfordern, wie oben er
wähnt, zusätzliche Wärmeableiteinrichtungen und/oder Gebläse,
um funktionstüchtig zu bleiben, und zwar wegen der üblichen
starken Belastungsströme, die die Heizelemente aufnehmen
müssen. Darüber hinaus erfordert der Einsatz von Festkör
perschaltvorrichtungen im Haushalt üblicherweise den Ein
satz in Kombination mit einem elektromagnetischen Relais,
um die Versicherungsforderungen einer Luftspaltunterbrechung
des elektrischen Stromkreises zu erfüllen, wie es oben er
läutert worden ist. Die elektromagnetischen Relais, die
heutzutage in Verbindung mit der oben erwähnten Mikroprozes
sorsteueranordnung in Gebrauch sind, haben den zusätzlichen
Nachteil, daß das Haushaltsgerät im Betrieb Geräusch erzeugt.
Da eine Relaiseinrichtung in einem Haushaltsgerät mehrmals
pro Minute betätigt wird, wird ein deutliches hörbares
Geräusch bei jedem Betriebszyklus verursacht, welches dem
Stoß zuzuschreiben ist. Das Ersetzen der herkömmlichen
Schalteinrichtungen, die heutzutage in einem elektrischen
Haushaltsheizgerät benutzt werden, welches mehrere Wider
standsheizelemente hat, durch eine piezokeramische Relais
einrichtung bringt daher beträchtliche Vorteile mit sich.
Bei dem dargestellten Elektroherd ist ein piezokeramisches
Relais in der Lage, diese Belastungen hoher Wattzahl bei
wenigstens einer Million und bis zu zehn Millionen Last
spielen zu schalten, welche heutzutage während der Ent
wurfslebensdauer des Gerätes verlangt werden. Ein relativ
ruhiger Betrieb durch die Relaiseinrichtung sowie eine
einfache Steuerschaltungsanordnung, die für deren Betäti
gung benötigt wird, repräsentieren einen bedeutsamen wei
teren Vorteil. Ein Betrieb mit besserem energetischen Wir
kungsgrad und daher ein Betrieb zu niedrigeren Kosten
durch die Bedienungsperson können bei einer piezokerami
schen Relaiseinrichtung ebenfalls erwartet werden, die mit
Mikrowattleistung im Vergleich zu der Wattleistung, welche
bei den heutzutage verwendeten elektromagnetischen Relais
einrichtungen erforderlich ist, betrieben werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung eines piezokerami
schen Relais als Leistungsausgangsschalteinrichtung in
dieser Art von Haushaltsgerät außerdem die gesteuerte
Vorrichtung mit einfachen Festkörpersteuereinrichtungen
automatisch zu betreiben.
Die übliche Schaltung für mehrere Heizelemente in einer
elektrischen Heizvorrichtung ist die Parallelschaltung
zwischen den Starkstromleitern, wobei die einzelnen Heiz
elemente weiter mit wenigstens einer der heutzutage ver
wendeten elektromagnetischen Relaiseinrichtungen in Reihe
geschaltet sind. Es ist weiter üblicherweise bei Haus
haltselektroherden erforderlich, daß zwei Schaltvor
richtungen in Reihe mit jedem Heizelement verbunden sind,
und zwar als Sicherheitsmaßnahme, um zu gewährleisten,
daß jeder Starkstromleiter in der Stromversorgung unter
brochen wird. Aus diesen Überlegungen ist zu erkennen, daß
das Ersetzen der elektromagnetischen Relais durch piezokera
mische Relaiseinrichtungen eine weit zuverlässigere Schalt
anordnung ergibt. Der gleichzeitige Betrieb der Heizelemente
aufgrund einer Funktionsstörung der Schaltvorrichtungen kann
dadurch in einem viel größeren Ausmaß vermieden werden. Im
Vergleich zu den elektromagnetischen Relais ermöglichen die
geringere erforderliche Betätigungsleistung, der einfachere
Aufbau und die einfachere Steuerschaltungsanordnung für
eine piezokeramische Relaiseinrichtung sowie deren relative
Immunität gegen störende Einflüsse effektiv einen ausfall
sicheren Betrieb.
Es ist deshalb eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein System
mit besserem energetischen Wirkungsgrad zum Regeln der
elektrischen Leistung einer elektrischen Heizvorrichtung,
in welcher wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt
wird, zu schaffen.
Es ist ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine
Steuereinrichtung zu schaffen, in der wenigstens eine piezo
keramische Relaiseinrichtung benutzt wird, um die elektri
sche Eingangsleistung einer elektrischen Heizvorrichtung,
in der wenigstens ein Widerstandsheizelement benutzt wird,
auf ausfallsicherere Weise zu regeln.
Noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung ist es, eine
Steuereinrichtung zur Regelung der elektrischen Leistung
einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens
ein Widerstandsheizelement benutzt wird, mit einer verbes
serten Temperatursteuereinrichtung zu schaffen.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine
verbesserte elektronische Steuereinrichtung zum automati
schen Regeln der elektrischen Leistung einer elektrischen
Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Widerstandsheiz
element benutzt wird, zu schaffen.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein
neues Verfahren zum Regeln der elektrischen Leistung einer
elektrischen Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein
Widerstandsheizelement benutzt wird, zu schaffen.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein
Verfahren zu schaffen zum Betreiben einer piezokeramischen
Relaiseinrichtung, um die elektrische Eingangsleistung we
nigstens eines Widerstandsheizelements in einer elektrischen
Heizvorrichtung effizienter zu regeln.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein
effizienteres Verfahren zu schaffen zum automatischen Re
geln der elektrischen Eingangsleistung einer elektrischen
Heizvorrichtung, in welcher wenigstens ein Heizelement be
nutzt wird.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine
elektrische Heizvorrichtung mit besserem energetischen Wir
kungsgrad unter Verwendung einer neuen Steuereinrichtung
zu schaffen, um die elektrische Eingangsleistung wenigstens
eines Widerstandsheizelements zuverlässiger zu regeln.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine
Steuereinrichtung zum Regeln der elektrischen Eingangslei
stung einer elektrischen Heizvorrichtung, in welcher mehrere
Widerstandsheizelemente benutzt werden, so auszubilden, daß
ein unabsichtlicher gleichzeitiger Betrieb der Heizelemente
vermieden wird.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine
elektrische Heizvorrichtung zu schaffen, in welcher eine
einfachere und billigere Steuereinrichtung zum Regeln der
elektrischen Eingangsleistung wenigstens eines Widerstands
heizelements mit einer piezokeramischen Relaiseinrichtung
benutzt wird.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, eine
elektrische Heizvorrichtung zu schaffen, in welcher eine
verbesserte elektronische Steuereinrichtung benutzt wird,
um die elektrische Eingangsleistung von einem oder mehreren
Widerstandsheizelementen automatisch zu regeln.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, einen
Elektroherd zu schaffen, in welchem eine neue Steuereinrich
tung benutzt wird, um die elektrische Leistung von mehreren
Widerstandsheizelementen zu regeln.
Es ist noch ein weiteres wichtiges Ziel der Erfindung, ein
Haushaltskochgerät zu schaffen, bei dem eine neue Steuer
einrichtung benutzt wird, um die elektrische Eingangslei
stung von wenigstens einem Widerstandsheizelement automa
tisch so zu regeln, daß ein besserer energetischer Wir
kungsgrad erzielt wird.
Diese und weitere Ziele der Erfindung ergeben sich deut
licher aus der Betrachtung der folgenden ausführlichen Be
schreibung der Erfindung.
Die Erfindung schafft eine neue Steuereinrichtung zum Re
geln der elektrischen Eingangsleistung in verschiedenen
elektrischen Heizvorrichtungen, bei denen ein oder mehrere
Widerstandsheizelemente benutzt werden. Gemäß einem Aspekt
der Erfindung ist eine piezokeramische Relaiseinrichtung
so an ein einzelnes Heizelement angeschlossen, daß es die
Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement ermög
licht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine
Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und
ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil
aufweist, das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen
hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontaktein
richtungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen
Kontakteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des Heiz
elements und mit der Steuerschaltungsanordnung verbunden
sind, welche die piezokeramische Relaiseinrichtung be
tätigt, die auf eine durch eine Bedienungsperson gewählte
Leistungseinstellung anspricht. Die Steuerschaltungsan
ordnung ist mit der Stromquelle und der piezokeramischen
Relaiseinrichtung direkt und galvanisch verbunden, um ei
nen Stromkreis zwischen denselben zu schließen, und kann
durch eine gewählte Leistungseinstellung betätigt werden,
was bewirkt, daß sich das vorgepolte, piezokeramische
Biegeteil biegt und elektrischen Kontakt mit den zusammen
wirkenden festen elektrischen Kontakteinrichtungen her
stellt.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung, wo in der beson
deren elektrischen Heizvorrichtung wenigstens zwei Wider
standsheizelemente benutzt werden, kann eine piezokeramische
Relaiseinrichtung so angeschlossen sein, daß sie das indi
viduelle Verbinden der Stromquelle mit jedem Heizelement
ermöglicht, wobei die Relaiseinrichtung eine Anschlußein
richtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und
ein bewegliches vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil,
welches zusammenwirkende Kontakteinrichtungen zur indi
viduellen Verbindung mit einer an jedem Heizelement vor
gesehenen Anschlußeinrichtung hat, und wobei das Biegeteil
auf Steuersignale anspricht, die bewirken, daß es sich
biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und
der Anschlußeinrichtung eines Heizelements schließt oder
sich biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle
und der Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements schließt.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung zum Regeln
der Eingangsleistung von zwei Widerstandsheizelementen
in einer elektrischen Heizvorrichtung ist wiederum eine ein
zelne piezokeramische Relaiseinrichtung so angeschlossen,
daß sie die individuelle Verbindung der Stromquelle mit jedem
Heizelement ermöglicht. Die Relaiseinrichtung hat weiter
eine Anschlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle
und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biege
teil, welches Kontakteinrichtungen zur individuellen Ver
bindung mit einer Anschlußeinrichtung, die in jedem Heiz
element vorgesehen ist, hat. Wenn es durch die Steuer
schaltungsanordnung betätigt wird, wird das Biegeteil ver
anlaßt, sich entweder in einer ersten Richtung zu biegen,
um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und er An
schlußeinrichtung eines Heizelements zu schließen, oder
sich in einer zweiten Richtung zu biegen und einen Strom
kreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung
des anderen Heizelements zu schließen.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist zur Lei
stungsregelung von zwei Widerstandsheizelementen in einer
elektrischen Heizvorrichtung eine einzige piezokeramische
Relaiseinrichtung, die eine gegabelte Konstruktion mit zwei
beweglichen, vorgepolten, piezokeramischen Biegeelementen
hat, an die Stromquelle angeschlossen, wobei jedes Biege
element bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen hat,
die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrich
tungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kon
takteinrichtungen wiederum separat mit Anschlußeinrich
tungen verbunden sind, die an jedem Heizelement vorge
sehen sind, und wobei jedes Biegeelement weiter die beweg
lichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von
den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält, wenn es
in einem unerregten Zustand ist. Eine zugeordnete Steuer
schaltungsanordnung spricht auf die Steuersignale an und
bewirkt, daß das betätigte Biegeelement sich biegt und
einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschluß
einrichtung des Heizelements schließt, welches dem betätig
ten Biegeelement betriebsmäßig zugeordnet ist.
Gemäß noch weiteren Aspekten der Erfindung kann eine ein
zelne piezokeramische Relaiseinrichtung mit einem einzelnen
Heizelement in einer besonderen Heizvorrichtung in Reihe
geschaltet sein, und diese Verbindung kann bei einer Heiz
vorrichtung doppelt vorhanden sein, die mehrere Heizelemente
hat. Daher ist eine piezokeramische Relaiseinrichtung mit
einem Heizelement in dem vorliegenden Steuersystem verbun
den, um entweder als eine Ein/Aus-Leistungsschalteinrich
tung oder als eine Dreistellungsschalteinrichtung zu arbei
ten und in beiden Betriebsarten die zusammenwirkenden Kon
takteinrichtungen der Relaiseinrichtung in einem ausfall
sicheren gegenseitigen Abstand zu halten, wenn die Relais
einrichtung aufgrund der Steuersignale in einem unerregten
Zustand ist.
Die Steuersignale, mit denen die piezokeramische Relaiseinrich
tung in der vorliegenden Steuereinrichtung betätigt wird,
können auf verschiedene Weise erzeugt werden. Wie oben dar
gelegt, können Leistungssteuersignale benutzt werden, um
die bewegliche, vorgepolte Biegeteileinrichtung in der Re
laiseinrichtung zu betätigen, wobei diese Steuersignale
mit einem Leistungswert erzeugt werden, der durch eine Be
dienungsperson gewählt wird. Die manuell betätigte Lei
stungswähleinrichtung kann weiter zusätzliche Sicherheits
schaltvorrichtungen enthalten, um den Strom zu unter
brechen, der einem Heizelement zugeführt wird, wenn die Lei
stungswähleinrichtungen in einen "Aus"-Zustand geschaltet
werden. Die Leistungssteuersignale können außerdem mit einer
Festkörpersteuerschaltungsanordnung in einer elektrischen
Heizvorrichtung, bei der es sich beispielsweise um einen
Haushaltselektroherd handeln kann, automatisch erzeugt wer
den. Wie oben ebenfalls bereits in bezug auf dieses Gerät
in Verbindung mit der oben erwähnten US-PS 44 43 690 darge
legt, hat der Anfangsleistungswert, welcher den Heizelementen
aufgrund der durch die Bedienungsperson gewählten Leistungs
einstellung zugeführt wird, Werte, welche von
denen verschieden sind, die später für die gewählte Lei
stungseinstellung erforderlich sind. Wenn ein Heizelement,
das auf diese Weise gesteuert wird, bereits mit einer höheren
Leistungseinstellung arbeitet und die Bedienungsperson eine
niedrigere Leistungseinstellung wählt, wird dem Heizelement
erst Strom zugeführt, wenn er benötigt wird, um die niedrigere
Leistungseinstellung aufrechtzuerhalten. Andererseits, die
Wahl einer höheren Leistungseinstellung für ein Heizelement,
das auf einer niedrigeren Leistungseinstellung in Betrieb ist,
führt dazu, daß dem Heizelement der volle Strom zugeführt wird,
um die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um die höhere Lei
stungseinstellung zu erreichen. Auf die Offenbarung in der
US-PS 44 43 690 wird speziell verwiesen, weil die vollautoma
tische Steuereinrichtung, die darin ausführlicher beschrieben
ist, benutzt werden kann, um die Steuersignale in Verbindung
mit den verschiedenen Aspekten der Erfindung zu erzeugen. Tem
peratursteuersignale werden ebenfalls gemäß den verschiedenen
Aspekten der Erfindung benutzt. Demgemäß kann die Steuerschal
tungsanordnung nach der Erfindung so ausgelegt werden, daß sie
auf Steuersignale anspricht, welche mit Temperaturmeßeinrich
tungen erzeugt werden, so daß die Temperatur, die erreicht
wird, wenn ein Heizelement in Betrieb ist, mittels Tempera
turrückführungssteuerung bestimmt werden kann. Eine präzisere
Temperatursteuerung kann außerdem in der Heizvorrichtung gemäß
den verschiedenen Aspekten der Erfindung erzielt werden, wo
durch eine Festkörpertemperaturmeßeinrichtung, wie beispiels
weise eine Thermistorvorrichtung, in der Steuerschaltungsan
ordnung benutzt werden kann. Durch weiteres Betreiben einer
piezokeramischen Relaiseinrichtung als eine Dreistellungs
schalteinrichtung in dem Steuersystem nach der Erfindung wird
es möglich, den Leistungswert weiter zu beeinflussen, der ei
nem Heizelement in einer elektrischen Heizvorrichtung zuge
führt wird. Daher kann bei einer elektrischen Heizvorrichtung,
die aus der üblichen 230-Volt-Wechselstromquelle gespeist wird,
die Relaiseinrichtung nach der Erfindung die Erfindung mit der
Stromquelle so herstellen, daß die Leistung, die einem betriebs
mäßig zugeordneten Heizelement aufgrund der vollen 230-Volt-
Versorung zugeführt wird, mit höheren gewählten Leistungs
werten zugeführt wird, wogegen eine 115-Volt-Versorgung bei
niedrigeren gewählten Leistungswerten vorgesehen ist. Diese
Art des Betreibens der Relaiseinrichtung kann deren Kontakt
lebensdauer verlängern sowie die thermische Beanspruchung des
zugeordneten Heizelements verringern.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung hat die elektrische Heizvor
richtung die Form eines Elektroherdes, der eine Kochfeldein
richtung sowie eine Backofeneinrichtung aufweisen kann. Das
Leistungsregelsystem, das darin benutzt wird, spricht sowohl
auf Leistungssteuersignale als auch auf Temperatursteuersig
nale an, damit die Widerstandsheizelemente eine vorbestimmte
Betriebstemperatur erreichen. Demgemäß können verschiedene be
kannte Einrichtungen zur Temperatursteuerung, die heutzutage
für diesen Zweck in herkömmlichen Haushaltselektroherden be
nutzt werden, ohne weiteres in dem Leistungsregelsystem nach
der Erfindung vorgesehen werden, um dieses mit einer Tempe
raturrückführungssteuereinrichtung, mit einer Proportional
temperatursteuereinrichtung und der oben erwähnten digitalen
Temperaturnachbildungssteuereinrichtung gemäß der Beschrei
bung in der erwähnten US-PS 44 43 690 zu versehen. Eine vor
bestimmte Temperatureinstellung kann durch eine Bedienungs
person mit einem mechanischen Steuerknopf oder mit einer Tast
steuereinrichtung gewählt werden, wie es bereits bei den her
kömmlichen Elektroherden der Fall ist, wobei die gewählte Tem
peratursteuereinrichtung ein Fehlersignal erzeugt, welches
eine Funktion der Differenz zwischen der gemessenen Tempera
tur und einer durch eine Bedienungsperson gewählten vorbe
stimmten Temperatureinstellung ist. Eine ähnliche Wahl kann
durch eine Bedienungsperson getroffen werden, um den Lei
stungswert zu bestimmen, bei welchem ein Heizelement arbeiten
soll. Zum Beispiel kann ein manuell betätigter Steuerknopf
benutzt werden, um das Leistungssteuersignal als eine variable
Gleichspannung auf herkömmliche Weise unter mehreren verfüg
baren Leistungseinstellungen auszuwählen. Das Betreiben des
gesamten Leistungsregelsystems auf diese Weise setzt dadurch
ein Heizelement Steuersignalen aus, die am Anfang durch die
Bedienungsperson durch die Wahl einer Leistungseinstellung
und anschließend durch Temperaturen bestimmt werden, welche
durch Betreiben des Heizelements erzielt und durch die be
triebsmäßig zugeordnete Temperatursteuereinrichtung bestimmt
werden. Bei durch eine Bedienungsperson gewählten Kochtempe
raturen unterhalb einer Siedetemperatur kann bei einer üblichen
Kochfeldeinrichtung beispielsweise die volle Leistung dem ge
steuerten Heizelement gemäß dem oben zusammenfassend erwähn
ten Zeitverhältnisbetrieb der Leistungssteuerung zugeführt
werden, wobei der Prozentsatz an Zeit, während welchem Lei
stung zugeführt wird, anschließend durch Steuersignale aus der
betriebsmäßig zugeordneten Temperaturmeßeinrichtung reduziert
wird, wenn die gemessene Temperatur den gesteuerten Tempera
turbereich ihres Betriebes erreicht. Eine ähnliche temperatur
gesteuerte Betriebsart kann bei der dargestellten Kochfeldein
richtung bei einer Kochtemperaturwahl oberhalb von Siedetempe
raturen, beispielsweise bei Brattemperaturen, benutzt werden.
Wieder kann die Leistung dem gesteuerten Heizelement in einer
Zeitverhältnisbetriebsart der Leistungssteuerung zugeführt
werden, aber bei einem insgesamt höheren Prozentsatz der Zeit
in dem Lastspiel, so daß höhere Betriebstemperaturen erzielt
werden können, wobei die Leistungsaufnahme anschließend mit
einer Temperatursteuerung geregelt wird, nachdem die gewünsch
te Betriebstemperatur errreicht worden ist. Bei dem Siedetem
peraturbetrieb ist zu erkennen, daß die Steuersignale aus der
Temperatursteuereinrichtung nicht länger von Bedeutung sind,
da die Steuerung des Heizens mit der Zeitverhältnisbetriebs
art der Leistungssteuerung erzielt wird. Andererseits sei be
achtet, daß die Temperatursteuereinrichtung in der hier dar
gestellten Steuereinrichtung in Betrieb bleibt, um zu melden,
wann Betriebstemperaturen durch das gesteuerte Heizelement
erreicht werden, die oberhalb des Wassersiedepunktes (etwa
100°C oder 212°F) sind, da die Speise, die gekocht wird,
schließlich sämtliche Feuchtigkeit verlieren könnte.
Bei einer typischen Backofeneinrichtung, bei der die darge
stellte Steuereinrichtung benutzt wird, wird nur die ge
wünschte Kochtemperatur im allgemeinen durch die Bedienungs
person gewählt, wobei aber eine begleitende Zeitspanne ent
weder vor der oder für die Kochdauer auch möglicherweise auf
herkömmliche Art gewählt wird. Da die gewünschten Betriebs
temperaturen bei einer üblichen Backofeneinrichtung oberhalb
des Wassersiedepunktes sein werden, obgleich niedrigere Er
wärmungstemperaturen manchmal vorgesehen sind, wird in der
üblichen Betriebsart der Backofeneinrichtung eine Temperatur
rückführungssteuerung benutzt. Demgemäß kann die Backofenein
richtung in der hier dargestellten Steuereinrichtung durch
Temperaturrückführungssteuerung betrieben werden, wobei die
volle Leistung zugeführt wird, bis die Temperatur, die mit dem
gesteuerten Heizelement oder den gesteuerten Heizelementen
erreicht wird, in dem Steuerbereich der wählten Temperatur
steuereinrichtung liegt. Beispielsweise kann bei einem üb
lichen Backofen, bei dem die hier dargestellte Steuereinrich
tung benutzt wird, zum Erzielen des üblichen Selbstreinigungs
vorgangs die volle Leistung zugeführt werden, bis eine vor
bestimmte, sehr hohe Temperatur erreicht ist, und anschließend
kann diese Temperatur mit einer herkömmlichen Temperatursteuer
einrichtung aufrechterhalten werden, beispielsweise mittels
eines Thermostats oder einer Thermistorschaltung. Noch weitere
Betriebsarten, die heutzutage bei einer herkömmlichen Back
ofeneinrichtung benutzt werden, können verständlicherweise
auf ähnliche Art bei der hier dargestellten Steuereinrichtung
angewandt werden, damit Zeit-Backen, Grillen, Backen und dgl.
erfolgen können.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung benutzt die Steuer
einrichtung, in der eine piezokeramische Relaiseinrichtung
verwendet wird, um die Eingangsleistung wenigstens eines
Widerstandsheizelements in verschiedenen Arten von elektri
schen Heizvorrichtungen zu regeln, eine Festkörperschaltungs
anordnung, die mehrere wichtige Vorteile bietet. Diese Steuer
einrichtung ermöglicht nicht nur, einen genaueren und zuver
lässigeren Grad der Steuerung zu erzielen als bei der auf
herkömmliche Weise betriebenen Vorrichtung zur Zeit möglich
ist, sondern das auch mit besserem energetischen Wirkungsgrad
und mit einem weit einfacheren Aufbau zu erreichen. Erstens,
die oben erwähnten niedrigeren Leistungsbetriebsdaten einer
piezokeramischen Relaiseinrichtung machen sie zu einer idealen
Schalteinrichtung, die mit vielen Typen von Festkörperschal
tungen niedriger Leistung betätigt werden kann. Um einfach die
Art und die Vielfalt der bereits bekannten Festkörpersteuer
schaltungsanordnungen zu zeigen, die für Haushaltsgeräte ge
eignet sind, sei auf eine Anzahl von technischen Veröffent
lichungen verwiesen, und zwar "Monolithic Switch System for
Low Cost Power Control", Proceedings of the National Electro
nics Conference, Band XXIII, 1967; "User Friendly Touch
Controls For Home Appliances", 35th International Appliance
Technical Conference, 1984; "Microcomputers, A Technique for
Electronic Control In The Appliance Industry", I.E.E.E.
Appliance Technical Conference, 1975; "Applications for Micro
computer Control to Appliances", I.E.E.E. Appliance Technical
Conference, 1977; und "Automatic Surface Cooking Utilizing
Microprocessor Control", 37th International Appliance Tech
nical Conference, 1986. Eine weitere Bezugnahme auf weitere,
auf die Anmelderin zurückgehende US-Patentschriften, zu denen
die US-PS 42 56 951, 44 24 439, 44 47 799, 42 96 449,
45 51 618 und 46 34 842 gehören, macht es ebenfalls evident,
daß eine Festkörperschaltungsanordnung, in der sowohl Analog
als auch Digitalschaltungseinrichtungen benutzt werden, für
verschiedene Heizungssteuerzwecke entwickelt worden ist, zu
denen entweder eine Kochfeldeinrichtung oder eine Backofen
einrichtung in dem oben dargestellten Haushaltselektroherd
gehört. Demgemäß ist in Verbindung mit diesem Aspekt der Er
findung zu erkennen, daß die hier benutzte Festkörpersteuer
schaltungsanordnung sowohl Analog- als auch Digitalschaltungs
einrichtungen enthält und daher die Realisierung sowohl als inte
grierte Hybridschaltung als auch mit diskreten Bauelementen
beinhaltet.
Ein weiterer wichtiger Vorteil, der durch Betreiben der piezo
keramischen Relaiseinrichtung mit einer Festkörperschaltungs
anordnung erzielt wird, ist das Erfordernis einer geringeren
physischen Größe, was ermöglicht, die gesamte Steuereinrich
tung auf minimalem Raum und mit beträchtlich reduzierten Ver
drahtungskosten unterzubringen. Es wird dadurch möglich, die
gesamte Steuereinrichtung einer Kochfeldeinrichtung oder
einer Backofeneinrichtung in der besonderen Heizvorrichtung,
die dargestellt ist, an einer zweckmäßigen Steuerstelle unter
zubringen und weiter diese verbesserte Steuereinrichtung als
einen einzelnen einsteckbaren Modul auszubilden, was Repara
tur und Austausch auf einfacherere Weise ermöglicht. Noch ein
weiterer wichtiger Vorteil, der bei der Verwendung einer
piezokeramischen Relaiseinrichtung in Kombination mit einer
Festkörpersteuerschaltungsanordnung des oben dargelegten Typs
erzielt wird, ist die weitere Möglichkeit, die elektromecha
nische Thermostateinrichtung, die heutzutage üblicherweise in
den herkömmlichen elektrischen Heizvorrichtungen zur Tempe
ratursteuerung benutzt wird, durch eine Festkörpertemperatur
steuereinrichtung zu ersetzen. Die herkömmlichen Thermostat
einrichtungen werden benutzt, um Steuersignale mit einem
ausreichenden Leistungswert zum Betätigen der betriebsmäßig
zugeordneten elektromagnetischen Relaiseinrichtungen zu er
zeugen, und es mangelt ihnen an der Fähigkeit, eine Steuerung
außerhalb eines relativ schmalen Temperaturbereiches vorzu
nehmen, während sie außerdem beträchtliches hörbares Geräusch
verursachen, wenn die elektromagnetische Relaiseinrichtung be
tätigt wird. Die Verwendung einer Festkörpertemperatursteuer
einrichtung, beispielsweise einer Thermistorschaltung, in der
Festkörpersteuerschaltungsanordnung, welche eine piezokera
mische Relaiseinrichtung betätigt, führt zur Vermeidung bei
der Nachteile und ergibt eine präzisere Temperatursteuerung
mit einem kontinuierlichen Rückführungssignal über einem weit
größeren Temperaturbereich. Auf diese Weise ist eine Bedie
nungsperson, die diese verbesserte Steuereinrichtung benutzt,
welche in dem oben dargelegten Haushaltselektroherd vorge
sehen ist, weit besser in der Lage, die Kochtemperaturen zu
erreichen, die in Kochbüchern und anderen Rezeptveröffent
lichungen üblicherweise angegeben sind.
Eine piezokeramische Relaiseinrichtung, welche eine verbesserte
Steuereinrichtung gemäß den verschiedenen Aspekten der Erfin
dung ermöglicht, hat den vorerwähnten "bimorphen" Aufbau, bei
dem das piezokeramische Biegeteil aus wenigstens zwei ebenen,
vorgepolten, piezokeramischen Plattenelementen besteht, die
in entgegengesetzter Parallelbeziehung sandwichartig auf ent
gegengesetzten Seiten von wenigstens einer zentralen leit
fähigen Oberfläche befestigt sind und äußere leitfähige Ober
flächen haben, welche von einander und von der zentralen leit
fähigen Oberfläche durch die Dicken der dazwischen angeordneten
piezokeramischen Plattenelemente getrennt sind. Die beweg
lichen Kontakteinrichtungen, welche dem beweglichen, piezo
keramischen Biegeteil betriebsmäßig zugeordnet sind, können
auf derselben Seite oder auf entgegengesetzten Seiten des Bie
geteils angeordnet sowie an seitlichen Stellen vorgesehen
oder sogar auf Fortsätzen positioniert sein, die mit dem Bie
geteil verwunden sind, was alles im folgenden und in den
oben erwähnten US-Patentschriften näher beschrieben ist. Noch
eine weitere bevorzugte Form des piezokeramischen Biegeteils,
das den "bimorphen" Aufbau hat, ist mittels Klemmeinrichtungen
selektiv vorgepolt, die an und benachbart zu nichtgepolten Tei
len auf freitragende Weise befestigt sind, zum Betätigen eines
einzelnen oder von mehreren Paaren von zusammenwirkenden
elektrischen Kontakten, wobei die nichtgepolten Teile mecha
nisch unbeansprucht und elektrisch neutral sind. Eine Steuer
schaltungsanordnung, welche die piezokeramische Relaisein
richtung mit niedrigerem Stromverbrauch betätigt, ist an die
vorgepolten, piezokeramischen Plattenelemente so angeschlos
sen, daß sie das Gleichstromerregerpotential zum wahlweisen
Biegen des Biegeteils aufgrund von Steuersignalen liefert,
welche bei dem Betrieb der gesteuerten Heizvorrichtung er
zeugt werden. Das Gleichstromerregerpotential wird vorzugs
weise mit derselben Polarität wie das Vorpolungspotential,
das zum Polarisieren der piezokeramischen Plattenelemente
benutzt wird, geliefert, damit die Relaiseinrichtungen wäh
rend des Betriebes nicht depolarisiert werden. Die Betäti
gung einer Relaiseinrichtung auf die Steuersignale hin kann
mit zugeordneten Festkörperschalteinrichtungen niedri
gen Stromverbrauches erfolgen, wie es oben erläutert worden
ist. Geeignete Relaistreiberschaltungen für den oben darge
legten Haushaltselektroherd können einfach eine Dioden-Kon
densatorschaltung enthalten, um das Gleichstromerreger
potential hoher Spannung zum Betätigen der piezokeramischen
Relaiseinrichtung zu erzeugen, in Kombination mit Vorwider
standseinrichtungen für irgendwelche Steuerlogik- und
aktive Halbleitervorrichtungen zum wahlweisen Anlegen der
Erregung hoher Spannung an das piezokeramische Biegeteil.
In einer solchen Treiberschaltungseinrichtung können in
Reihe geschaltete Trennwiderstandseinrichtungen vorgesehen
sein, um den Strom zu begrenzen, der aus einer Wechsel
stromquelle aufgenommen wird, während Aufladewiderstands
einrichtungen ebenfalls vorgesehen sein können, um das
Erregerpotential zu dem piezokeramischen Biegeteil zu
leiten. Die Treiberschaltungsausführungsformen können aus
serdem erste Widerstandseinrichtungen enthalten zum Entla
den des ersten piezokeramischen Plattenelements, wenn des
sen Erregung beendet worden ist, zusammen mit zweiten Wi
derstandseinrichtungen zum Entladen des zweiten piezokera
mischen Plattenelements, wenn dessen Erregung beendet wor
den ist. Die Steuersignale zum Betätigen dieser piezokera
mischen Relaiseinrichtung können zwar durch verschiedene
Einrichtungen erzeugt werden, wie sie oben dargelegt worden
sind, die Temperatursteuersignale können jedoch in einer
repräsentativen Festkörperschaltungsanordnung mit betriebs
maßig zugeordneten Analogschaltungseinrichtungen erzeugt
werden. Ein Typ einer Festkörperanalogschaltung, welche Tem
peratursteuersignale auf diese Weise erzeugt, umfaßt eine
erste Verstärkereinrichtung, welche eine Eingangsgleichspan
nung, die eine vorbestimmte Temperatureinstellung dar
stellt, welche durch eine Bedienungsperson gewählt worden
ist, mit einer Rückführungsspannung vergleicht, die erzielt
wird, indem ihre Ausgangsspannung modifiziert wird, um eine
zugeordnete Kondensatoreinrichtung aufzuladen, und die Aus
gangsspannung der ersten Verstärkereinrichtung an eine
zweite Verstärkereinrichtung zum Vergleich mit einer Säge
zahnreferenzspannung anlegt, wobei die Ausgangsspannung
der zweiten Verstärkereinrichtung Steuersignale an zwei
aktiven Vorrichtungen in der Steuerschaltungsanordnung
ergibt. Zum automatischen Anlegen von Temperatursteuer
signalen an zwei Heizelemente mit demselben Typ von Fest
körpersteuereinrichtung kann eine im Handel er
hältliche CMOS-Quad-Komparator-Vorrichtung benutzt werden,
die eine doppelt vorgesehene Doppelkomparatorschaltung
hat, was im folgenden noch näher beschrieben ist. In der
letztgenannten Schaltungsausführungsform werden die Steuer
signale, die an das erste Heizelement angelegt werden,
in der Festkörperanalogschaltungseinrichtung mit einer er
sten Sägezahnreferenzspannung erzeugt, die ein umgekehrtes
Verhältnis in bezug auf die zweite Sägezahnreferenzspan
nung hat, welche benutzt wird, um die Steuersignale zu
erzeugen, die an das zweite Heizelement angelegt werden.
Dadurch, daß die Eingangsleistung der einzelnen Heizelemente
auf diese Weise geregelt wird, wird die gleichzeitige
Leistungsaufnahme durch beide Heizelemente, welche die
Stromversorgung überlasten kann, vermieden.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden
unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es
zeigt
Fig. 1 einen repräsentativen Elektroherd,
der eine Steuereinrichtung nach der
Erfindung aufweist,
Fig. 2 ein Funktionsblockschaltbild für ei
nen Aspekt der Steuereinrichtung
nach der Erfindung bei deren Ver
wendung für die Kochfeldeinrichtung
des Elektroherdes nach Fig. 1,
Fig. 3 eine ausführlichere Konstruktionsan
sicht einer repräsentativen Lei
stungsschalteinrichtung, welche die
Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes
nach Fig. 1 steuert,
Fig. 4 ein Funktionsblockschaltbild für ei
nen Aspekt der Steuereinrichtung
nach der Erfindung bei deren Verwen
dung für die Backofeneinrichtung des
Elektroherdes nach Fig. 1,
Fig. 5 eine ausführlichere Konstruktionsan
sicht einer repräsentativen Lei
stungsschalteinrichtung, welche die
Backofeneinrichtung des Elektroherdes
nach Fig. 1 steuert,
Fig. 6 ein elektrisches Schaltbild einer re
präsentativen Steuerschaltung, die
für die Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes
nach Fig. 1 verwendet werden kann,
Fig. 7 ein elektrisches Schaltbild für eine
andere Steuerschaltung, die für die
Kochfeldeinrichtung des Elektroherdes
nach Fig. 1 benutzt werden kann,
Fig. 8 ein elektrisches Schaltbild einer ty
pischen Festkörperanalogschaltungs
anordnung, die in der Steuerschal
tungsanordnung nach den Fig. 6 und
7 verwendet werden kann,
Fig. 9 Längsseitenansichten von drei reprä
sentativen piezokeramischen, bimor
phen Relaiseinrichtungen, die in
der Steuereinrichtung nach der Er
findung benutzt werden können, und
Fig. 10 ein Funktionsschaltbild, welches ei
ne repräsentative Ausführungsform
der Steuereinrichtung nach der Erfin
dung bei deren Verwendung in dem
Elektroherd nach Fig. 1 zeigt.
In den Zeichnungen sind die bevorzugten Ausführungsformen der
Erfindung in Verbindung mit einer elektrischen Heizvorrichtung
in Form eines Haushaltselektroherdes dargestellt, der von einer
Bauart ist, die in den US-PS Re 26 944 und 46 39 578 ausführli
cher beschrieben ist. Auf diese beiden US-Patentschriften, die
beide auf die General Electric Company zurückgehen, wird bezüg
lich weiterer Einzelheiten verwiesen.
Fig. 1 zeigt einen üblichen Haushaltselektroherd 10 mit einer
Ausführungsform der Steuereinrichtung nach der Erfindung. Der
Elektroherd 10 hat eine Kochfeldeinrichtung 12 mit vier Widerstandsheizele
menten 14, 16, 18 und 20. Von Hand betätigte Steuerknöpfe 22,
24, 26 und 28 sind auf einer Steuertafel 30 befestigt, damit
Leistungseinstellwerte für die einzelnen Heizelemente durch
eine Bedienungsperson unter mehreren verfügbaren Leistungsein
stellungen (nicht gezeigt) auf herkömmliche Weise ausgewählt
werden können. Der Elektroherd 10 hat weiter zwei Widerstands
elemente (in Fig. 1 nicht gezeigt, aber in Verbindung mit der
in Fig. 4 gezeigten Backofen-Ausführungsform weiter beschrie
ben), die in dem Backofenraum 34 angeordnet sind. Da die vor
liegende Erfindung eine bessere Leistungsregelung einer Back
ofen- und einer Kochfeldeinrichtung schafft, wird aber eine weitere
Beschreibung in Verbindung mit der hier dargestellten Elektro
herd-Ausführungsform für den Betrieb einer üblichen Backofeneinrichtung
gegeben, bei der eine solche verbesserte Steuereinrichtung be
nutzt wird. Demgemäß gestattet noch ein weiterer von Hand betä
tigter Steuerknopf 36, der auf der Steuertafel 30 befestigt
ist, einer Bedienungsperson, einen Leistungseinstellwert für
die Steuerung der Backofeneinrichtung 32 auf dieselbe allgemeine Weise
zu wählen, wie sie oben in Verbindung mit der gegenwärtig be
nutzten Kochfeldeinrichtung beschrieben worden ist. Betriebsähnlichkeit in
der Leistungssteuereinrichtung, die sowohl bei der Kochfeld
als auch bei der Backofen-Ausführungsform vorgesehen ist, be
ruht in einer Möglichkeit, Betriebsarten wählen zu können wie
Grillen, Backen, Zeit-Backen, Selbstreinigen und "Aus"-Zustand
mit dem Steuerknopf 36 für die Backofeneinrichtung 32, während Betriebs
arten wie leicht Kochen, mittleres Kochen, Kochen und ein "Aus"-
Zustand mit den Steuerknöpfen 22, 24, 26 und 28 bei der Kochfeldein
richtung 12 eingestellt werden können. Betriebsunterschiede exi
stieren zwischen der dargestellten Kochfeld-Ausführungsform und
der dargestellten Backofen-Ausführungsform jedoch darin, daß
eine Temperatur- und eine Zeitsteuereinrichtung für die Backofenein
richtung vorgesehen sind. Demgemäß ist ein weiterer von Hand betä
tigter Steuerknopf 38 auf der Steuertafel 30 vorgesehen, der
dem Benutzer ermöglicht, die Kochtemperaturen zu wählen, die
in dem Backofenraum 34 erzielbar sind, wenn die betriebsmäßig
zugeordneten Heizelemente mit Temperatursteuersignalen sowie
mit Leistungssteuersignalen gemäß der Steuereinrichtung nach
der Erfindung betrieben werden. Ein noch weiterer herkömmlicher
Zeitgeber 40 ist ebenfalls auf der Steuertafel 30 befestigt,
der einer Bedienungsperson ermöglicht, die Zeitdauer für eine
gewählte Betriebsart der Backofeneinrichtung 32 oder ein vorbestimmtes
Zeitintervall, das dem Einleiten der gewählten Betriebsfunktion
vorangeht, zu wählen.
Ein typisches Leistungsregelsystem 42, bei welchem die Steuer
einrichtung nach der Erfindung in Verbindung mit den oben be
schriebenen Kochfeld- und Backofen-Ausführungsformen benutzt
wird, ist als Blockschaltbild in Fig. 2 dargestellt. Eine
illustrative Steueranordnung ist in der vorliegenden Zeichnung
nur für die Widerstandsheizelemente 14, 16, 18 und 20 vorgese
hen, die in der Kochfeldeinrichtung 12 benutzt werden, da die Steueranord
nung für die Backofeneinrichtung 32, bei der eine Temperatursteuerein
richtung sowie eine Leistungssteuereinrichtung benutzt werden, wie
oben erwähnt in Verbindung mit der Ausführungsform nach Fig. 4
weiter beschrieben wird, die sich mit der letztgenannten Aus
führungsform befaßt. Andererseits sollte an diesem Punkt daran
gedacht werden, daß die Leistungssteuereinrichtung, die in der
Kochfeld-Ausführungsform oder in der Backofen-Ausführungsform
benutzt werden kann, in bezug auf beide bauliche Konfigurationen
der besonderen piezokeramischen Relaiseinrichtungen, welche be
tätigt werden, und der Steuerschaltungsanordnung, die zum Betä
tigen dieser Relaiseinrichtungen benutzt wird, im wesentlichen
dieselben bleiben. Demgemäß erzeugt eine Leistungsselektorein
richtung 44 Steuersignale zur unabhängigen Betätigung der Heiz
elemente 14, 16, 18 und 20 in der Kochfeldeinrichtung 12 auf Leistungsein
stellungen hin, welche durch die Bedienungsperson unter mehreren
Leistungseinstellungen ausgewählt werden, die in den Steuer
knöpfen 22, 24, 26 und 28 zur Verfügung stehen. Diese Leistungs
steuersignale können auf herkömmliche Weise mit Potentiometer
einrichtungen erzeugt werden, die an den Steuerknöpfen physisch
befestigt sind. Die Gleichstromsteuersignale werden durch be
triebsmäßig zugeordnete Analog- oder Digitalschaltungseinrich
tungen 46 weiter verarbeitet, um den Prozentsatz an Zeit zu re
geln, in welchem einem betriebsmäßig zugeordneten Heizelement
auf die oben beschriebene herkömmliche Weise für die Leistungs
regelung bei einer Kochfeldeinrichtung Leistung zugeführt wird, wie es
durch die Leistungseinstellung verlangt wird, welche durch
eine Bedienungsperson gewählt wird. Die verarbeiteten Steuer
signale werden daraufhin an weitere betriebsmäßig zugeordnete
Schaltkreiseinrichtungen 48 angelegt, welche die Betätigung
der piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56
zur anschließenden elektrischen Verbindung der Stromquelle
mit einem einzelnen Heizelement ermöglichen. Wie der Zeichnung
zu entnehmen ist, sind die Relaiseinrichtungen jeweils mit
einem einzelnen Heizelement in der dargestellten Kochfeld-Aus
führungsform zur unabhängigen Steuerung der Leistungsaufnahme
desselben in Reihe geschaltet. Die Relaiseinrichtungen sind
weiter so aufgebaut und werden so betrieben, daß sie die zu
sammenwirkenden Kontakteinrichtungen öffnen oder auf Abstand
halten, wenn eine Relaiseinrichtung in einem unerregten Zustand
ist, aber sich auf die oben dargelegte Weise biegen, um das
zugeordnete Heizelement auf die angelegten Leistungssteuersig
nale hin in den leitenden Zustand zu schalten. Die Zeichnung
enthält weiter normalerweise offene Schaltvorrichtungen 51,
53, 55 und 57, welche gestatten, beide Starkstromleiter L 1 und
L 2 zu unterbrechen, wenn die manuell betätigten Leistungsselek
toreinrichtungen in einen "Aus"-Zustand geschaltet werden.
Fakultative Steuerklemmen 58 sind außerdem an dem Null-Stark
stromleiter N vorgesehen, wodurch den einzelnen piezokeramischen
Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56 ermöglicht wird, die ein
zelnen Heizelemente entweder mit einer herkömmlichen 115-Volt-
Wechselstromversorgung oder mit einer herkömmlichen 230-Volt-
Wechselstromversorgung zu verbinden. Eine solche fakultative
Schaltanordnung kann vorgesehen sein auf grund einer zuvor er
läuterten Möglichkeit für eine piezokeramische Relaiseinrich
tung, sich in unterschiedlichen Richtungen zu biegen, wenn sie
eine elektrische Verbindung zwischen der Stromquelle und ihren
Anschlußkontakten herstellt. Auf diese Weise können die einzel
nen Heizelemente mit einer 115-Volt-Wechselstromversorgung auf
einem niedrigeren gewählten Leistungswert versorgt werden, indem
eine zugeordnete Relaiseinrichtung zwischen den Null-Starkstrom
leiter und einen der Starkstromleiter geschaltet wird, während
sie mit einer 230-Volt-Wechselstromversorgung bei höheren ge
wählten Leistungseinstellungen versehen wird, um die Vorteile
zu erzielen, die ebenfalls oben erläutert worden sind.
Die Betätigung einer einzelnen piezokeramischen Relaiseinrich
tung in der vorstehenden illustrativen Ausführungsform erfolgt,
indem die Relaiseinrichtung in einen Stromkreis mit einem ein
zelnen Heizelement gelegt wird, um die Verbindung der Strom
quelle mit dem Heizelement zu ermöglichen. Die piezokeramische
Einrichtung, die im folgenden unter Bezugnahme auf die bauli
chen Relaiskonfigurationen ausführlicher beschrieben wird, wel
che in Fig. 9 gezeigt sind, hat eine Anschlußeinrichtung zur
Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepol
tes, piezokeramisches Biegeteil, welches bewegliche elektri
sche Kontakteinrichtungen hat, die mit festen elektrischen
Kontakteinrichtungen zusammenwirken, welche Ihnen zugeordnet
sind, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen mit
der Anschlußeinrichtung des Heizelements verbunden sind und
wobei die Steuerschaltungsanordnung, welche die piezokerami
sche Relaiseinrichtung betätigt, auf eine Leistungseinstellung
anspricht, die durch eine Bedienungsperson gewählt wird. Die
Steuerschaltungsanordnung ist direkt und ohmisch mit der Strom
quelle und mit der piezokeramischen Relaiseinrichtung verbun
den, was ebenfalls ausführlicher im folgenden in Verbindung
mit den elektrischen Schaltbildern nach den Fig. 6 und 7 be
schrieben wird, um einen Stromkreis zwischen denselben zu
schließen, und die durch eine gewählte Leistungseinstellung be
tätigt wird, welche bewirkt, daß sich das vorgepolte piezokera
mische Biegeteil biegt und elektrischen Kontakt mit den zusam
menwirkenden festen elektrischen Kontakteinrichtungen herstellt.
Eine repräsentative Steuerschaltungsanordnung, welche den Be
trieb der Relaiseinrichtung auf diese Weise ermöglicht, kann
gänzlich mit Festkörperschaltungseinrichtungen versehen sein.
Demgemäß können die analog Festkörperschaltungseinrichtungen
46 mit Eingangsgleichspannungen versorgt werden, welche die
gewählten Leistungswerte darstellen, um geeignete Steuersignale
zu erzeugen, welche die Betätigung eines einzelnen piezokera
mischen Biegeteils mit der betriebsmäßig zugeordneten Festkör
perschaltkreiseinrichtung 48 ermöglichen. Eine geeignete Fest
körperanalogschaltungseinrichtung 46 für diesen Zweck kann im
wesentlichen die gleiche Schaltungseinrichtung sein, die oben
in Verbindung mit dem Erzeugen von geeigneten Temperatursteu
ersignalen gemäß einem Aspekt der Steuereinrichtung nach der
Erfindung beschrieben worden ist. Wie dort erläutert, erzeugt
die Analogschaltungsanordnung die Steuersignale mit einer
ersten Verstärkereinrichtung, welche eine Eingangsgleichspan
nung, die nun eine Leistungseinstellung darstellt, welche durch
eine Bedienungsperson gewählt worden ist, mit einer Rückkopp
lungsspannung, die durch Modifizieren ihrer Ausgangsspannung
erzielt wird, vergleicht, um eine zugeordnete Kondensatorein
richtung aufzuladen, und die Ausgangsspannung der ersten
Verstärkereinrichtung an eine zweite Verstärkereinrichtung anlegt zum
Vergleich mit einer Sägezahnreferenzspannung, wobei die Aus
gangsspannung der zweiten Verstärkereinrichtung Steuersignale
an zwei aktiven Vorrichtungen in der zugeordneten Festkörper
schaltkreiseinrichtung 48 erzeugt. Repräsentative Festkörper
schaltkreiseinrichtungen 48 können auch auf die zuvor beschrie
bene Weise so vorgesehen werden, daß sie eine Schaltung aus
Dioden und Kondensatoren zum Bilden des höheren Gleichspannungs
erregerpotentials enthalten, welches ein einzelnes piezokera
misches Biegeteil mit zwei aktiven Hochspannungsvorrichtungen
wie Transistoren und dgl. betätigt. Vorwiderstandselemente
können außerdem in der Treiberschaltungseinrichtung für irgend
eine Steuerlogik enthalten sein, die benutzt wird, um die ein
zelnen Heizelemente bei voll automatisierter, vorprogrammierter
digitaler Steuereinrichtung zu betreiben. In weiteren repräsen
tativen Festkörperschaltkreiseinrichtungen 48 können in Reihe
geschaltete Trennwiderstandselemente vorgesehen sein, um den
Strom zu begrenzen, der aus der Wechselstromquelle aufgenommen
wird, während Ladewiderstandselemente außerdem vorgesehen sein
können, um das Erregerpotential zu dem piezokeramischen Biege
teil zu leiten. Solche Treiberschaltungsausführungsformen können
auch erste Widerstandseinrichtungen zum Entladen der Plattenele
mente, wenn deren Erregung beendet worden ist, enthalten.
Aus der vorstehenden Beschreibung der verschiedenen baulichen
Konfigurationen, die eine piezokeramische Relaiseinrichtung bei
dem elektrischen Verbinden eines einzelnen Heizelements mit der
Stromquelle annehmen kann, dürfte ebenso klar hervorgehen,
daß Modifizierungen in dem oben dargestellten Leistungsregel
system möglich sind. Zum Beispiel, die Steuersignale, die in
der Analogschaltungseinrichtung 46 erzeugt werden, können
zwei Heizelemente betätigen, wobei die Steuersignale, die
ein Heizelement betätigen, mit einer ersten Sägezahnreferenz
spannung erzeugt werden, welche eine umgekehrte Beziehung
zu einer zweiten Sägezahnreferenzspannung hat, die benutzt
wird, um Steuersignale zu erzeugen, welche das andere Heiz
element betätigen, wodurch eine gleichzeitige Stromzufuhr zu
den betriebsmäßig zugeordneten Heizelementen vermieden wird.
Die besondere Analogschaltungseinrichtung, die auf diese Weise
betrieben wird, kann zweckmäßig ein Paar der Doppelkomparator
netzwerke enthalten, die oben beschrieben worden sind und
z. B. bei der oben erwähnten CMOS-Quad-Komparatorvorrichtung
vorgesehen sind, und sie kann weiter die Sägezahnreferenzspan
nungen mit Unÿunction-Kippgenerator-Schaltungseinrichtungen
erzeugen, welche in einem Stromkreis mit zwei in Reihe geschal
teten Rückkopplungsverstärkereinrichtungen liegen, so daß das
Ausgangssignal der ersten Verstärkereinrichtung die erste
Sägezahnreferenzspannung bildet, welche, nachdem sie wei
ter an die zweite Verstärkereinrichtung angelegt worden ist,
die zweite Sägezahnreferenzspannung bildet. Bei einer anderen
Modifizierung des oben dargelegten Leistungsregelsystems, durch
welche eine einzelne piezokeramische Relaiseinrichtung die
Eingangsleistung von zwei Heizelementen regeln kann, kann die
Relaiseinrichtung in einen Stromkreis gelegt werden, um das
individuelle Verbinden der Stromquelle mit jedem Element zu
ermöglichen, wobei die Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrich
tung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein beweg
liches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil, das zusammen
wirkende Kontakteinrichtungen hat zur individuellen Verbindung
mit der Anschlußeinrichtung, die an jedem Element vorgesehen
ist, und eine Steuerschaltungsanordnung, die mit der Stromquelle
und mit der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaisein
richtung direkt und ohmisch verbunden ist, welche auf die Steu
ersignale an spricht und das Biegeteil veranlaßt, sich zu biegen
und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschluß
einrichtung von einem Heizelement zu schließen oder sich zu
biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der
Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements zu schließen.
Eine geeignete Relaiseinrichtung zu dieser Art von Betätigung
umfaßt eine Biegekonstruktion bimorphen Typs, die oben be
schrieben worden ist, mit zwei zusammenwirkenden, beweglichen
und festen elektrischen Kontakteinrichtungen, welche auf ent
gegengesetzten Seiten des Biegeteils angeordnet sein können,
um das Biegen in einer ersten Richtung zum Schließen eines
Stromkreises zu dem ersten Heizelement und ein Biegen in einer
zweiten Richtung zum Schließen eines Stromkreises zu dem an
deren Heizelement zu ermöglichen. Eine weitere geeignetere
Relaiseinrichtung zur betriebsmäßigen Zuordnung zu einem
Paar Widerstandsheizelementen umfaßt eine piezokeramische Re
laiseinrichtung, die eine gegabelte Konstruktion mit zwei be
weglichen, vorgepolten, piezokeramischen Biegeelementen hat,
welche durch Anschlußeinrichtungen mit der Stromquelle ver
bunden sind, wobei jedes Biegeelement bewegliche elektrische
Kontakteinrichtungen hat, die mit festen elektrischen Kontakt
einrichtungen zusammenwirken, welche separat mit Anschlußein
richtungen verbunden sind, die an jedem Heizelement vorgesehen
sind, und wobei jedes Biegeelement die beweglichen elektrischen
Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen
Kontakteinrichtungen hält, während es in einem unerregten Zu
stand ist, und wobei die Steuerschaltungsanordnung wiederum
auf eine Leistungseinstellung anspricht, die durch eine Bedie
nungsperson gewählt wird, um die einzelnen Biegeelemente sepa
rat zu betätigen und zu bewirken, daß sich das betätigte Biege
element biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und
den Anschlußeinrichtungen des Heizelements schließt, welches
dem betätigten Biegeelement betriebsmäßig zugeordnet ist. Ein
geeignetes Verfahren zum Betreiben eines einzelnen Heizelements
in irgendeiner der hier dargestellten Steuerungsausführungsfor
men beinhaltet daher (a) Auswählen einer Leistungseinstellung
für das Heizelement unter mehreren Einstellungen, (b) Umwandeln
der gewählten Leistungseinstellung in Steuersignale auf eine
Weise, die eine Betätigung einer piezokeramischen Relaiseinrich
tung mit einer betriebsmäßig zugeordneten Steuerschaltungsanord
nung ermöglicht, und (c) Benutzen der Steuersignale, um zu
bewirken, daß sich das Biegeteil in der Relaiseinrichtung
biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem
Heizelement schließt. In Verbindung mit diesem Verfahren zum
Regeln des Heizelements ist weiter zu erkennen, daß jede Be
seitigung des Betätigungspotentials an dem Biegeteil eine
Biegung in der entgegengesetzten Richtung bewirkt, so daß die
Relaiskontakte für eine ausfallsichere Betriebsweise in der
dargestellten Heizvorrichtung öffnen. Wie oben weiter darge
stellt, kann diese Betriebsweise weiter das Öffnen von zu
sätzlichen, von Hand betätigten Schalteinrichtungen, wenn die
Leistungsselektoreinrichtungen 44 in einen "Aus"-Zustand ge
schaltet werden, umfassen.
Fig. 3 zeigt eine ausführlichere strukturelle Ansicht für das
vorstehende illustrative Leistungssteuersystem 42, welches
die Kochfeldeinrichtung 12 in dem Elektroherd nach Fig. 1 be
tätigt. Wie durch gestrichelte Linien in Fig. 1 der Zeichnung
weiter dargestellt, können die Steuereinrichtungen 42 alle
physisch in ein einziges Gehäuseteil oder -modul eingebaut
sein, das an der Steuertafel 30 angebracht ist, um die Ein
gangsleistung der gesteuerten Widerstandsheizelemente 14, 16,
18 und 20 zu regeln. Demgemäß sind die in Reihe geschalteten
piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56, welche
die Eingangsleistung der Heizelemente steuern, alle in einem
kastenartigen Gehäuse 21 zusammen mit den Anschlußeinrichtungen,
welche eine elektrische Verbindung mit den Heizelementen er
möglichen, untergebracht. Das kastenartige Gehäuse hat eine
elektrisch isolierende Basis 23, die an der Steuertafel 30,
welche an dem Elektroherd vorgesehen ist, zweckmäßig befestigt
sein kann, und ist weiter mit einer Abdeckeinrichtung 23 A ver
sehen, um die untergebrachten elektrischen Bauteile vor atmos
phärischer Verunreinigung zu schützen. Alle piezokeramischen
Einrichtungen 50, 52, 54 und 56 sind zusammen mit den zugeord
neten Schaltkreisanordnungen 46 und 48 für diese Steue
rungsausführungsform an dem isolierenden Basisteil 23 ebenso
wie die zusammenwirkenden elektrischen Kontakteinrichtungen
in den Relaiseinrichtungen befestigt. Gemeinsame Buchstaben-
und Ziffernbezeichnungen sind verwendet worden, um dieselben
strukturellen Bauteile in den einzelnen Relaiseinrichtungen
sowie gemeinsame Anschluß- und Kontakteinrichtungen in den
betreffenden Einrichtungen zu bezeichnen. Jede piezokeramische
Relaiseinrichtung 50, 52, 54 und 56 weist ein Paar piezokera
mische Plattenelemente 25 und 27 auf, die gemeinsam sandwich
artig auf entgegengesetzten Seiten einer zentralen leitfähigen
Oberfläche 29 befestigt sind. Ein weiteres leitfähiges Feder
element 31 wirkt physisch mit den einzelnen Relaiseinrichtungen
zusammen, indem beide Bauteile an einem Ende an einem elektrisch
isolierenden Blockhalter 37 festgespannt sind, während sie außer
dem an den entgegengesetzten Enden mit einem weiteren elektri
sch isolierenden Blockteil 39 verbunden sind. Aus der Zeich
nung ist zu erkennen, daß eine weitere elektrische Zusammen
wirkung zwischen den verbundenen Bauteilen stattfindet, weil
die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen 33 und 35 jeder
Relaiseinrichtung in bezug auf die beweglichen Biegeteile 41 in
der Einrichtung so angeordnet sind, daß es bei der Biegung zum
Schließen oder zur gegenseitigen Anlage der zusammenwirkenden
Kontakteinrichtungen kommt. Klemmeneinrichtungen T 3, T 4 und eine
gemeinsame Klemme T c bilden die Einrichtungen, durch die das
Gleichstromerregerpotential wahlweise an die vorpolarisierten,
beweglichen Biegeplattenelemente auf Steuersignale hin ange
legt wird, welche durch die zugeordneten Schaltkreisanordnun
gen 46 und 48 geliefert werden, was zur Folge hat, daß die be
weglichen Biegeteile 41 sich biegen und die beweglichen Kontakt
elemente 33 mit den festen elektrischen Kontaktelementen 35
schließen. Bei dem Schließen jedes Paares der zusammenwirkenden
Kontakteinrichtungen wird ein elektrischer Stromkreis zwischen
der Klemme L 1, die mit der Stromquelle verbunden ist, und der
Klemme T 1, die mit einem einzelnen Heizelement (nicht dargestellt)
verbunden ist, geschlossen. Weitere Klemmeneinrichtungen sind
an einem einzelnen Heizelement außerhalb des dargestellten
Steuermoduls vorgesehen, wodurch die elektrische Verbindung mit
dem anderen Starkstromleiter (L 2) zum Schließen des Stromkreises
hergestellt wird, welcher die Zufuhr von Strom zu den Heizelemen
ten ermöglicht, wie es oben in Verbindung mit der Beschreibung
von Fig. 2 erläutert worden ist. Wenn die einzelnen piezokerami
schen Relaiseinrichtungen nicht erregt sind, weil keine Steu
ersignale an ihnen anliegen, bleiben die zusammenwirkenden
Kontakteinrichtungen, die an den Biegeteilen vorgesehen sind,
in gegenseitigem Abstand, wie es in der vorliegenden Zeichnung
weiter gezeigt ist. Die Steuerschaltungsanordnungen 46 und 48,
welche Steuersignale bzw. das Gleichstromerregerpotential zum
Betätigen der einzelnen Relaiseinrichtungen in der vorliegenden
Steuerungsausführungsform 42 liefern, sind wie dargestellt in
paarweiser Beziehung in bezug auf die Relaiseinrichtungen elek
trisch verbunden. Insbesondere kann ein Paar der Relaiseinrich
tungen mit derselben Festkörperanalogschaltungseinrichtung 46
und der Festkörperschaltkreiseinrichtung 48, wie sie in
der vorhergehenden Ausführungsform offenbart sind, separat be
tätigt werden, während das andere Paar piezokeramischer Re
laiseinrichtungen mittels doppelt vorhandener Schaltungsein
richtungen desselben Typs ebenfalls separat betätigt werden
kann. Wenn das gemacht wird, bleibt es ratsam, in jeder der
verwendeten Analogschaltungseinrichtungen Steuersignale zu er
zeugen, welche ein Paar der piezokeramischen Relaiseinrichtun
gen betätigen, um Steuersignale zu erzeugen, welche eine Relais
einrichtung mit einer Referenzspannung betätigen, die ungleich
der Referenzspannung ist, welche benutzt wird, um Steuersignale
für die andere Relaiseinrichtung zu erzeugen, wie bei der Art
und Weise, die in der vorhergehenden Ausführungsform erläutert
worden ist, und dadurch eine gleichzeitige Stromzufuhr zu den
betriebsmäßig zugeordneten Heizelementen zu vermeiden. Demge
mäß können in jeder der Analogschaltungseinrichtungen 46, die
benutzt werden, um separate Steuersignale an einem miteinander
verbundenen Paar der piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50,
52, 54 und 56 zu erzeugen, die Festkörper-CMOS-Quad-Komparator-
Vorrichtung und die zugeordneten Referenzspannungsschaltungs
einrichtungen, die in der vorhergehenden Ausführungsform für
diesen Zweck offenbart worden sind, benutzt werden. Eine ähn
liche Schaltungsverdoppelung kann (wie in der vorliegenden
Zeichnung dargestellt) in jeder de 59230 00070 552 001000280000000200012000285915911900040 0002003909261 00004 59111r Festkörperschaltkreis
einrichtungen 48 benutzt werden, welche separat ein Gleich
stromerregerpotential an eine einzelne piezokeramische Relais
einrichtung anlegen. Daher können doppelt vorhandene Paare von
aktiven Hochspannungsvorrichtungen in jeder der Festkörper
schaltkreiseinrichtungen 48 benutzt werden, die so angeschlos
sen sind, daß sie eine Verbindung einer einzelnen piezokera
mischen Relaiseinrichtung mit jedem Paar der aktiven Vorrich
tungen ermöglichen, wie es im folgenden ausführlicher mit
Bezug auf die illustrativen Ausführungsformen für die Schal
tungseinrichtungen beschrieben wird, welche in den Fig. 6 und
7 dargestellt sind.
Aus der vorstehenden Beschreibung, die zu der dargestellten
Steuerungsausführungsform 42 gehört, wird deutlich, daß die
Betätigung der einzelnen piezokeramischen Einrichtungen auch
auf dieselbe Weise erfolgt, wie es oben in Verbindung mit der
vorhergehenden Beschreibung von Fig. 2 erläutert worden ist.
Die Klemmeneinrichtung L 1 stellt eine Verbindung jeder piezo
keramischen Relaiseinrichtung mit der Stromquelle her, während
das bewegliche piezokeramische Biegeteil 41 in jeder Relaisein
richtung eine bewegliche elektrische Kontakteinrichtung 33 auf
weist, die mit einer zugeordneten festen elektrischen Kontakt
einrichtung 35 zusammenwirkt, um eine Verbindung mit einem
betriebsmäßig zugeordneten Heizelement herzustellen, das die
Klemmeneinrichtung T 1 hat. Die Steuerschaltungseinrichtungen
46 und 48 sind außerdem wie dargestellt mit der Stromquelle
über Starkstromleiter L 1 und L 2 direkt und ohmisch verbunden
und außerdem an die einzelnen piezokeramischen Relaiseinrich
tungen über die Klemmen T 3, T 4 und die gemeinsame Klemme T c
angeschlossen. Daraus folgt wieder in dieser Steuerungsaus
führungsform, daß jedes Heizelement, welches einer einzelnen
piezokeramischen Relaiseinrichtung des hier benutzten Typs
betriebsmäßig zugeordnet ist, auf eine Leistungseinstellung
anspricht, die durch eine Bedienungsperson gewählt wird, wel
che bewirkt, daß das betätigte Biegeteil in der einzelnen Re
laiseinrichtung sich biegt und einen Stromkreis zwischen der
Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements
schließt. Es ist zwar in der vorliegenden Zeichnung nicht dar
gestellt, jedoch aus der hier vorangehenden Beschreibung in
bezug auf die weiteren Steuereinrichtungen, welche bereits in
herkömmlichen Elektrogeräten zum Steuern der Betriebstemperatur
eines in der Kochfeldeinrichtung verwendeten Heizelements dienen, evi
dent, daß die Temperatursteuereinrichtung auch in die vorlie
gende Steuerungsausführungsform eingebaut werden kann. Daher
werden Festkörperrückführungstemperatursteuerungseinrichtungen
in Form einer Thermistorschaltung im folgenden in Verbindung
mit einem repräsentativen Leistungsregelsystem für eine solche
Kochfeldeinrichtung in Fig. 6 ausführlicher beschrieben. Ein
geeignetes Verfahren zum Betreiben eines einzelnen Heizelements,
bei welchem die kombinierten Leistungssteuer- und Temperatur
steuersignale in dieser Modifikation der vorliegenden Steue
rungsausführungsform benutzt werden, beinhaltet die Schritte
(a) Auswählen einer Leistungseinstellung für ein einzelnes
Heizelement unter mehreren Leistungseinstellungen, (b) Umwan
deln der gewählten Leistungseinstellung in Leistungssteuersi
gnale, (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum Betätigen
einer vorgepolten piezokeramischen Relaiseinrichtung mit einer
betriebsmäßig zugeordneten Steuerschaltungsanordnung und zum
Veranlassen, daß sich das Biegeteil in der Relaiseinrichtung
biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem
Heizelement schließt, (d) Messen der Temperatur, die mit dem
arbeitenden Heizelement erreicht wird, um Temperatursteuer
signale zu erzeugen, und (e) Beendigen der Leistungsaufnahme
des einzelnen Heizelements, wenn die gemessene Temperatur eine
vorbestimmte Temperatur erreicht, indem die zusammenwirkenden
Kontakteinrichtungen der piezokeramischen Relaiseinrichtung
veranlaßt werden zu öffen. Es ist auch evident, daß bei dieser
Betriebsweise zusätzliche, manuell betätigte Schalteinrichtun
gen vorgesehen sein können, um den Strom zu unterbrechen, der
dem Heizelement zugeführt wird, wie es oben erwähnt worden ist.
Fig. 4 zeigt ein Funktionsblockschaltbild, das ein typisches
Leistungsregelsystem darstellt, welches in der Backofenein
richtung des Elektroherdes nach Fig. 1 benutzt wird. Demgemäß
weist das dargestellte Leistungsregelsystem 60 Stromversorgungs
leiter L 1 und L 2 zusammen mit einem Null-Starkstromleiter N
auf. Eine 230-Volt-Wechselstromversorgung ist dadurch zusammen
mit einem Paar 115-Volt-Versorgungskreisen vorhanden. Ein Schal
ter für eine herkömmliche Zeitgebereinrichtung 40 ermöglicht
das Schließen eines Stromkreises zu einem manuell betätigten
Steuerknopf 36, der interne Schalterkontakte hat, welche in
der Zeichnung gezeigt sind, um repräsentative Betriebsfunkti
onen zu erfüllen wie Aus, Zeit-Backen, Grillen, Backen und
Selbstreinigen. Der Steuerknopf 36 gestattet dadurch einer
Bedienungsperson, einen Leistungseinstellwert zu wählen zur
Steuerung der Backofeneinrichtungsausführungsform 32 auf die
selbe Weise, wie es oben in Verbindung mit der zuvor beschrie
benen Kochfeldeinrichtung beschrieben worden ist. Ein weiterer
manuell betätigter Steuerknopf 38 ermöglicht weiter der Be
dienungsperson, die Kochtemperatur zu wählen, die in dem Back
ofenraum (nicht dargestellt) erreicht werden soll, wenn die
betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente mit Temperatursteuer
signalen sowie mit Leistungssteuersignalen gemäß der dargestel
ten repräsentativen Steuerungsausführungsform betrieben werden.
Piezokeramische Relais 62, 64 und 66 sind weiter wie in der
Zeichnung dargestellt mit Widerstandsheizelementen 68 und 70
in Reihe geschaltet. Die Relaiseinrichtungen 62 und 66 werden
jeweils als Ein/Aus-Schalter in Abhängigkeit von der gewählten
Betriebsfunktion betrieben, wodurch die Betätigung bewirkt,
daß sich die zugeordneten piezokeramischen Biegeteile biegen
und die betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente mit den Stark
stromleitern verbinden. Die Relaiseinrichtung 64 wird als ein
Dreistellungsschalter betrieben, jedoch wiederum in Abhängig
keit von der gewählten Betriebsfunktion, wobei die Betätigung
ihr zugeordnetes piezokeramisches Biegeteil veranlaßt, sich ent
weder aufwärts zu biegen und das betriebsmäßig zugeordnete Heiz
element mit dem Starkstromleiter L 1 zu verbinden, oder sich ab
wärts zu bewegen und dieses Heizelement mit dem Nulleiter N
zu verbinden. Es kann weiter der vorliegenden Zeichnung ent
nommen werden, daß das Steuern des Betriebes der zugeordneten
Heizelemente auf die beschriebene Weise den separaten Betrieb
der einzelnen Heizelemente bei gewissen Kochfunktionen ermög
licht, während andere Funktionen bei beiden Heizelementen vor
gesehen sind, die gleichzeitig ausgeführt werden. Temperatur
steuersignale werden in der dargestellten Ausführungsform mit
einer Temperaturmeßeinrichtung 38 A erzeugt, die in dem Backofen
raum angeordnet ist. Eine Anzeigelampe 38 B ist weiter in der
dargestellten Backofeneinrichtung vorgesehen worden, um eine
weitere Funktion zu veranschaulichen, die üblicherweise bei dem
herkömmlichen Elektrogerät benutzt wird. Wie oben erläutert,
können die Steuerschaltungseinrichtungen 46 und 48, die in
dem hier beschriebenen Leistungsregelsystem 60 vorgesehen sind,
hinsichtlich ihrer Betriebsweise gleich oder ähnlich denjenigen
sein, die für den Betrieb der einzelnen Heizelemente in der
oben beschriebenen Kochfeldeinrichtungsausführungsform benutzt
werden. Demgemäß können die einzelnen Heizelemente und piezo
keramischen Relaiseinrichtungen, die in der vorliegenden Aus
führungsform benutzt werden, mit im wesentlichen den gleichen
Anschluß- und Schaltungsverbindungen versehen sein, die oben
in Verbindung mit der Kochfeldeinrichtungsausführungsform be
schrieben worden sind, und mit im wesentlichen den gleichen
Schaltungseinrichtungen, die darin benutzt werden, um die
Leistungssteuer- und Temperatursteuersignale für die vorliegen
den Steuerschaltungseinrichtungen 36 und 48 zu erzeugen. Um
noch weiter ein geeignetes Leistungsregelsystem für die vorlie
gende Backofeneinrichtungsausführungsform zu veranschaulichen,
welche auf diese Weise vorgesehen werden kann, sei jedoch an
gegeben, daß die einzelnen piezokeramischen Relaiseinrichtun
gen so angeschlossen sind, daß sie eine unabhängige Verbindung
der Stromquelle mit einem einzelnen Heizelement ermöglichen,
wobei jede der piezokeramischen Relaiseinrichtungen eine An
schlußeinrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein
bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil aufweist,
das bewegliche Kontakteinrichtungen hat, die mit festen Kontakt
einrichtungen zusammenwirken, um eine Verbindung mit den An
schlußelementen eines Heizelements herzustellen, und wobei die
piezokeramischen Relaiseinrichtungen mit einer Steuerschaltungs
anordnung separat betätigt werden, die direkt und ohmisch mit
der Stromquelle und mit den Anschlußeinrichtungen jeder piezo
keramischen Relaiseinrichtung verbunden ist, um auf eine Lei
stungseinstellung anzusprechen, die durch die Bedienungsper
son gewählt worden ist, sowie auf Temperatursteuersignale, wel
che bewirken, daß sich die betätigten einzelnen Biegeteile
biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und den
Anschlußeinrichtungen des Heizelements schließen, welches dem
betätigten Biegeteil betriebsmäßig zugeordnet ist, wobei die
Steuerschaltungsanordnung das Gleichstromerregerpotential für
diese separate Betätigung der einzelnen Relaiseinrichtungen
liefert und angeschlossene Analogschaltungseinrichtungen die
Steuersignale erzeugen. Wiederum folgt daraus, daß der Betrieb
dieser repräsentativen Backofeneinrichtung die Schritte bein
haltet (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für die einzel
nen Heizelemente unter mehreren Leistungseinstellungen, die
in der Leistungssteuereinrichtung 36 vorgesehen sind, (b) Um
wandeln der gewählten Leistungseinstellung in Leistungssteuer
signale in der Leistungssteuereinrichtung 36, (c) Benutzen der
Leistungssteuersignale zum Betätigen von einer oder mehreren
vorgepolten piezokeramischen Relaiseinrichtungen mit der be
triebsmäßig zugeordneten Schaltkreiseinrichtung 48, um zu be
wirken, daß sich das betätigte Biegeteil biegt und einen Strom
kreis zwischen der Stromquelle und den betriebsmäßig zugeord
neten Heizelementen schließt, (d) Messen der Temperatur, die
mit den arbeitenden Heizelementen erzielt wird, um Temperatur
steuersignale in der weiter betriebsmäßig zugeordneten Tempe
ratursteuereinrichtung 38 zu erzeugen, und (e) Beendigen der
Leistungsaufnahme der Heizelemente, wenn die gemessene Tempe
ratur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, mit der Tempera
tursteuereinrichtung.
Fig. 5 zeigt eine ausführlichere strukturelle Ansicht, teilweise
im Querschnitt, eines typischen Leistungssteuermoduls 60, der
in der Backofeneinrichtung vorgesehen ist, die in der unmittel
bar vorangehenden Ausführungsform beschrieben worden ist. Wie
oben bei der Steuereinrichtung in Fig. 3 erläutert, können alle
elektrischen Bauteile für die dargestellte Steuerungsausfüh
rungsform physisch in einem einzigen Gehäuseteil untergebracht
sein. Demgemäß sind die in Reihe geschalteten piezokeramischen
Relaiseinrichtungen 62, 64 und 66, welche die Leistungsaufnahme
der gesteuerten Widerstandsheizelemente 68 und 70 (nicht dar
gestellt) regeln, alle in einem kastenartigen Gehäuse 141 zu
sammen mit den Anschlußeinrichtungen, welche die elektrische
Verbindung mit den Heizelementen ermöglichen, untergebracht.
Das kastenartige Gehäuse hat eine elektrisch isolierende Basis
143, die wiederum zweckmäßig an der Steuertafel 30 befestigt
sein kann, welche bei dem Elektroherd 10 vorgesehen ist, und
weist weiter eine Abdeckeinrichtung 145 auf, um die unterge
brachten elektrischen Bauteile vor atmosphärischer Verunrei
nigung zu schützen. Alle piezokeramischen Relaiseinrichtungen
62, 64 und 66 sind zusammen mit den zugeordneten Schaltein
richtungen 46 und 48 an dem isolierenden Basisteil 143 ebenso
wie die feststehenden elektrischen Kontakteinrichtungen 147,
149, 149 A und 151, welche in den Relaiseinrichtungen zusammen
wirken, untergebracht. Wie der vorliegenden Zeichnung zu ent
nehmen ist, werden wiederum gemeinsame Buchstaben- und Ziffern
bezeichnungen benutzt, um dieselben baulichen Komponenten in
den einzelnen Relaiseinrichtungen sowie gemeinsame Klemmen und
Steuereinrichtungen in den betreffenden Einrichtungen zu be
zeichnen. In letzterer Hinsicht sei jedoch angemerkt, daß
biegsame Zuleitungen 153 und 155 (die auch wie üblich als
"fliegende Leitungen" bezeichnet werden) die Relaiseinrich
tungen mit dem Starkstromleiter L 1 verbinden, da den besonde
ren Relaisausführungsformen, die hier benutzt werden, elektri
scher Kontakt zwischen den beweglichen Kontakteinrichtungen
und den Biegeteilen fehlt, was noch ausführlicher in Verbindung
mit Fig. 9 beschrieben wird.
Jede piezokeramische Relaiseinrichtung 62, 64 und 66 ist jedoch
von dem "bimorphen" Typ, der oben beschrieben worden ist und
bei dem jedoch das Gleichstromerregerpotential an jede Relais
einrichtung mit der betriebsmäßig zugeordneten Steuerschaltungs
anordnung 46 und 48 auf dieselbe Weise über die Klemmen T 3,
T 4 und die gemeinsame Klemme T c angelegt wird. Im Gegensatz
zu den oben beschriebenen Ausführungsformen der piezokeramischen
Relais sind jedoch die beweglichen Kontakteinrichtungen 159,
die an den Biegeteilen befestigt sind, von den äußeren leitfähi
gen Oberflächen durch isolierende Elemente 161 elektrisch iso
liert, während sie weiterhin über die flexiblen Leiter 153 und
155 mit den Starkstromleitern L 1 oder N elektrisch verbunden
sind. Elektrisch leitfähige Elemente 163, die an den elektrisch
isolierenden Elementen 161 befestigt sind, erleichtern die
Verbindung der flexiblen Leiter 153 und 155 mit den beweglichen
Kontakteinrichtungen 159. Auf diese Weise Erfolgt die Ver
bindung der piezokeramischen Relais 62 und 86 mit der Strom
quelle über die biegsamen Leiter, wobei die weitere Verbindung
zwischen der Stromquelle und den Anschlußeinrichtungen des
zugeordneten Heizelements hergestellt wird, wenn die zusammen
wirkenden Kontakteinrichtungen 147, 159 oder 151, 159 auf
grund der Steuersignale geschlossen werden, welche die zuge
ordneten Biegeteile betätigen. Auf ähnliche Weise sprechen die
Paare von zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen 149, 159 und
149 A, 159, welche bei der piezokeramischen Relaiseinrichtung
64 vorgesehen sind, auf die Steuersignale so an, daß eine Auf
wärtsbiegung des Biegeteils das zugeordnete Heizelement mit
dem Starkstromleiter L 1 verbindet, wogegen eine Abwärtsbiegung
des Biegeteils das zugeordnete Heizelement mit dem Null-Stark
stromleiter N verbindet. Gemäß der weiteren Darstellung durch
die gestrichelten Linien in Fig. 1 der Zeichnung kann der
repräsentative Steuermodul 60 zweckmäßig an der Steuertafel
30 befestigt sein.
Fig. 6 ist ein elektrisches Schaltbild, welches einen Typ von
Steuerschaltungsanordnung 42 darstellt, der benutzt werden
kann, um einzelne Widerstandsheizelemente in der Kochfeldein
richtungsausführungsform des Elektroherdes nach Fig. 1 zu be
tätigen. Zum leichteren Verständnis sind dieselben Bezugszahlen
in der vorliegenden Figur beibehalten worden, um dieselben
Schaltungskomponenten zu bezeichnen, die zuvor für das Block
schaltbild des Steuersystems in Fig. 2 benutzt worden sind.
In der vorliegenden Zeichnung ist zu erkennen, daß ein Paar
der piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50 und 52 jeweils
so angeschlossen ist, daß die zentralen leitfähigen Oberflächen
51 und 53 mit einem Starkstromleiter L 1 verbunden sind, wobei
die beweglichen Enden 55 und 57 der Biegeteile in der zentralen,
offenen Position bleiben, wenn die Relaiseinrichtungen uner
regt bleiben. Paare von festen elektrischen Kontakten 59 bzw.
61 wirken mit den beweglichen Kontakten zusammen, die an den
beweglichen Biegeteilenden angeordnet sind, um ein Schließen
eines elektrischen Stromkreises zwischen der Stromversorgung
und den weiter betriebsmäßig angeschlossenen Widerstandsheiz
elementen 14 und 16 zu ermöglichen. Weiter ist dieser Schal
tungsanordnung zu entnehmen, daß die gegenseitigen Relaisver
bindungen eine mechanische Verriegelung ergeben, so daß die
Steuereinrichtung niemals den gleichzeitigen Betrieb der ein
zelnen Widerstandsheizelemente einleiten kann, während die
Relaiseinrichtungen sehr wenig Halteleistung während des Be
triebes erfordern, beispielsweise etwa zehn Mikrowatt. Die
dargestellte Treiberschaltungseinrichtung 48, welche das
Gleichstromerregerpotential an die einzelnen piezokeramischen
Relaiseinrichtungen anlegt, enthält weiter eine Schaltung aus
Widerständen und Dioden, die als eine zusätzliche Vorsichts
maßnahme zum Vermeiden einer gleichzeitigen Betätigung dieser
Relaiseinrichtungen zugeordnete Sicherheitsschalter S 1 und S 2
hat. Diese Widerstands-Diodenschaltung 63 enthält Dioden 65
und 67 und einen angeschlossenen Widerstand 69 zum Erreichen
dieses Ziels. Der Relaistreiberteil in der Steuerschaltungs
anordnung für die Relaiseinrichtung 50 ist mit zwei aktiven
Vorrichtungen 71 und 73 versehen, welche als diskrete Aus
gangstransistoren dargestellt sind. Steuersignale, welche die
automatisierte Betätigung der piezokeramischen Relaiseinrich
tungen in der Schaltungsanordnung ermöglichen, sind mit einer
nach Kundenspezifikation ausgelegten, als integrierte Schal
tung ausgeführten Hochspannungsanalogvorrichtung 46 auf allge
meine Weise wie oben erläutert vorgesehen. Daher liefert die
Leistungsselektoreinrichtung 44 Steuersignale für den unabhän
gigen Betrieb der miteinander verbundenen Heizelemente auf
Leistungseinstellwerte hin, die durch eine Bedienungsperson mit
den manuellen Steuerknöpfen (nicht dargestellt) gewählt wer
den. Die variablen Steuergleichspannungen werden dann an die
Analogschaltungseinrichtung 46 zur automatisierten Signalver
arbeitung angelegt. Zum Erregen der piezokeramischen Relais
einrichtung mit einer einfachen Einzeltransistortreiberein
richtung in der vorliegenden automatischen Steuerschaltungsan
ordnung werden weiter passive Pull-up-Widerstände 75 und 77
benutzt, um die piezokeramischen Plattenelemente immer dann zu
entladen, wenn die gewählte Erregung beendet wird. Bei der er
sten Erregung schaltet die elektronische Hochspannungssteuer
einrichtung bei ungefähr 3 Volt ein, so daß der aktive Treiber
transistor 71 und der Widerstand 79, die in Reihe geschaltet
sind, als eine Steuerstromquelle arbeiten. Bei dem ersten
Schließen der weiter angeschlossenen Relaiskontakte
wird die Spannung, die an dem Gateanschluß der aktiven Vor
richtung 71 anliegt, daraufhin sofort auf die volle Busspan
nung erhöht, die von der elektronischen Steuerschaltungsein
richtung geliefert wird und bis zu 10 Volt betragen kann. Da
durch wird dann die aktive Vorrichtung 71 vollständig einge
schaltet, und das piezokeramische Relaisplattenelement, wel
ches so betätigt wird, wird daraufhin schnell aufgeladen, wo
durch die Kontaktkraft der Relaiskontakte erhöht und eine Ver
schweißung bei weiterem Kontaktschließen verhindert wird. Eine
ähnliche Arbeitsweise der übrigen aktiven Vorrichtung 73 und
ihres in Reihe geschalteten Widerstands 81 ergibt sich auf
grund der elektronischen Steuerschaltungseinrichtung. Weitere
Strombegrenzungswiderstände 83 und 85, die mit den aktiven
Vorrichtungen 71 bzw. 73 in Reihe geschaltet sind, verhindern,
daß übermäßige Ströme in den aktiven Vorrichtungen diese ein
schalten, und beteiligen sich an der Begrenzung der maximalen
Schließgeschwindigkeit der piezokeramischen Relaiskontakte. Da
sich der Betrieb der übrigen piezokeramischen Relaiseinrich
tung 52, welche die Eingangsleistung des Widerstandselements
16 regelt, mit der vorliegenden automatischen Steuerschaltungs
anordnung auf dieselbe Weise abspielt, sind in der Zeichnung
nur diejenigen Schaltungselemente weiter dargestellt worden,
die für diese Steuereinrichtung erforderlich sind.
Aufgrund der vorstehenden Beschreibungen bezüglich der Schal
tungsausführungsformen nach den Fig. 2 und 3 ist zu erkennen,
daß eine Festkörperthermistorschaltung wahlweise in die vor
liegende Analogschaltungseinrichtung 46 eingebaut werden kann,
um eine Temperatursteuerung mit Rückführung bezüglich des Be
triebes jedes der dargestellten Heizelemente 14 und 16 vorzu
nehmen. Wenn das gemacht wird, sind zusätzliche Widerstands
elemente 161 A, 161 B und 161 C in der dargestellten Schaltungs
ausführungsform zusammen mit einem Festkörperthermistormeßele
ment 161 D vorhanden, welch letzteres in unmittelbarer physi
scher Nähe des Heizelements angeordnet ist, welches gesteuert
werden soll, was ebenfalls in der vorliegenden Zeichnung dar
gestellt ist. Aus der vorstehenden Beschreibung der Fig. 2 und
3 ist weiter zu erkennen, daß verschiedene physische Konfigu
rationen für eine piezokeramische Relaiseinrichtung benutzt
werden können, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle
und dem zugeordneten Heizelement in der dargestellten Schal
tungsausführungsform zu schließen. Da ein Stromkreis in der
Ausführungsform mittels Biegung des piezokeramischen Biege
teils in einer einzigen Richtung geschlossen wird, können die
besonderen Relaiseinrichtungen, die insbesondere in der Schal
tungsausführungsform nach Fig. 3 beschrieben worden sind, die
sem Zweck dienen. Andererseits, durch eine relativ einfache
Modifikation, die in der vorliegenden Schaltungsausführungs
form gemacht wird, wird es dadurch möglich, die einzelnen Re
laiseinrichtungen 50 und 52, welche darin verwendet werden,
durch eine einzelne Relaiseinrichtung zu ersetzen, welche den
gegabelten Aufbau hat, der oben in Verbindung mit den Schal
tungsausführungsformen nach Fig. 2 beschrieben worden ist. Es
ist außerdem in Verbindung mit der oben gegebenen Beschreibung
der vorliegenden Schaltungsausführungsformen zu erkennen, daß
die übrigen Heizelemente 18 und 20 in der Kochfeldeinrich
tungsausführungsform, die ursprünglich beschrieben worden ist,
auf dieselbe Weise betrieben werden können. In allen vorge
nannten Variationen der vorliegenden Steuerungsausführungsform
bleibt jedoch der Betrieb der einzelnen Heizelemente im wesent
lichen so, wie er oben beschrieben worden ist. Daher beinhal
tet ein geeignetes Verfahren zum Betreiben eines einzelnen
Heizelements in der vorliegenden Steuerungsausführungsform, in
welcher sowohl Leistungs- als auch Temperatursteuersignale ver
wendet werden, die Schritte (a) Auswählen einer Leistungsein
stellung für das einzelne Heizelement unter mehreren vorgese
henen Leistungseinstellungen mit der Leistungsselektoreinrich
tung 44, (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in
Leistungssteuersignale in der zugeordneten Analogschaltungs
einrichtung 46, (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum
Betätigen einer vorgepolten, piezokeramischen Relaiseinrichtung
mit der Treiberschaltungseinrichtung 48, um dadurch das betä
tigte Biegeteil zu veranlassen, sich zu biegen und einen
Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem betätigten Biege
teil zu schließen, (d) Messen der Temperaturen, die mit dem
arbeitenden Heizelement erreicht werden, um Temperatursteuer
signale mit der vorgesehenen Festkörperthermistorschaltung zu
erzeugen, und (e) Beendigen der Leistungsaufnahme des arbei
tenden Heizelements, wenn die gemessene Temperatur eine vorbe
stimmte Temperatur erreicht, indem die zusammenwirkenden Kon
takteinrichtungen des betätigten Biegeteils veranlaßt werden
zu öffnen.
Fig. 7 ist ein elektrisches Schaltbild, welches eine alterna
tive Schaltungseinrichtung für die automatische Steuerschal
tungsanordnung zeigt, die oben mit Bezug auf Fig. 6 beschrie
ben worden ist. Während die Schaltungsanordnung nach Fig. 6
eine 1/2-Wellenversorgung für das gesteuerte Heizelement aus
einer verfügbaren 230-Volt-Wechselstromquelle bildet, ermög
licht die vorliegend beschriebene Steuerschaltungsanordnung
den Betrieb der Belastungsvorrichtungen mit einer 115-Volt-
Stromversorgung, die der 230-Volt-Stromquelle entnommen wird.
Demgemäß sind dieselben Bezugszahlen, die in Fig. 6 verwen
det worden sind, hier beibehalten worden, um gemeinsame Schal
tungskomponenten in der vorliegenden automatischen Steuerschal
tungsanordnung zu bezeichnen. Mit Bezug auf den vergleichba
ren Betrieb der gemeinsamen Schaltungselemente in der vorlie
genden Steuerschaltungsausführungsform 42 bedarf es auch kei
ner Widerholung der Beschreibung der Schaltung nach Fig. 6.
Die Beschreibung der vorliegenden Steuerung beschränkt sich
deshalb auf das Beschreiben der zusätzlichen Schaltungskompo
nenten, die erforderlich sind, um die 115-Volt-Versorgung,
welche aus der Stromquelle stammt, zu verdoppeln, um ein höhe
res Gleichstromerregerpotential für die einzelnen piezokerami
schen Relaiseinrichtungen 50 und 52 zu erzielen, die in der
vorliegenden Steuerschaltungseinrichtung 48 angeschlossen
sind. Demgemäß ist eine Dioden-Kondensatorschaltung 87 darge
stellt, welche die Versorgungsspannung an den beiden ange
schlossenen piezokeramischen Relaiseinrichtungen 50 und 52 auf
eine ansonsten bekannte Weise verdoppelt. Die Dioden-Kondensa
torschaltung 87 ist dargestellt durch einen Pumpkondensator
89, einen Speicherkondensator 91 und Verdopplungsdioden 93 und
95 und liefert das Gleichstromerregerpotential, das die bei
den Relaiseinrichtungen wie dargestellt betätigt. Strombegren
zungswiderstände 97, 99 und 101 sind in der Steuerschaltungs
anordnung vorgesehen, um die Empfindlichkeit der Schaltung für
vom Netz her hervorgerufene Übergangsvorgänge zu reduzieren.
Fig. 8 ist ein elektrisches Schaltbild für die Analogschal
tungseinrichtung 46, die in der Steuerschaltungsanordnung nach
den Fig. 6 und 7 benutzt wird. Wie dargestellt ist eine den
Kundenwünschen angepaßte, als integrierte Schaltung ausgebil
dete Analogvorrichtung 103 vorgesehen, die vier Verstärkerein
richtungen 104, 106, 108 und 110 vom Komparatortyp hat. Ein
gangsspannungssignale, die von der Leistungsselektoreinrich
tung 44 (nicht dargestellt) geliefert werden, werden an die
Quad-Komparator-Schaltung 103 angelegt, um die gewünschten
Steuersignale durch automatische Signalverarbeitung zu erzeu
gen. Insbesondere werden die Gleichspannungssignale, welche
die Leistungseinstellungen darstellen, die durch eine Bedie
nungsperson gewählt worden sind, über einen Widerstand 102 an
eine erste Verstärkereinrichtung 104 zum Vergleich mit einer
Rückkopplungsspannung angelegt, welch letztere durch Modifi
zieren von deren Ausgangsspannung, um einen zugeordneten Kon
densator 105 aufzuladen, erzielt wird. Die Ausgangsspannung
des ersten Verstärkers wird dann an eine zweite Verstärkerein
richtung 106 zum Vergleich mit einer Sägezahnreferenzspannung
angelegt, wobei die Ausgangsspannung des zweiten Verstärkers
106 Steuersignale für die beiden aktiven Vorrichtungen bildet,
welche den Betrieb einer einzelnen piezokeramischen Relaisein
richtung in der Relaistreiberschaltungsanordnung (entweder 48
oder 49) steuern. Auf gleiche Weise werden zweite Steuersigna
le, welche Leistungseinstellungen darstellen, die durch eine
Bedienungsperson gewählt werden, für das andere Widerstands
heizelement, das in der Steuerschaltungsanordnung dargestellt
ist, in der gezeigten Analogschaltungseinrichtung automatisch
verarbeitet. Die Eingangsgleichspannungssignale werden an die
dritte Verstärkereinrichtung 108 über einen Widerstand 107
zum Vergleich mit der Rückkopplungssteuerspannung angelegt,
welche erhalten wird, indem deren Ausgangsspannung modifiziert
wird, um eine zugeordnete Kondensatoreinrichtung 109 aufzula
den. Die Ausgangsspannung des dritten Verstärkers wird darauf
hin an die vierte Verstärkereinrichtung 110 zum Vergleich mit
einer zweiten Sägezahnreferenzspannung angelegt, die ein um
gekehrtes Verhältnis mit Bezug auf die zuvor benutzte Säge
zahnreferenzspannung hat. Die verarbeiteten Spannungssignale,
welche die vierte Verstärkereinrichtung 110 liefert, bilden
Steuersignale zum Anlagen an die beiden aktiven Vorrichtungen,
welche den Betrieb der anderen piezokeramischen Relaisein
richtung steuern, die in der Steuerschaltungsanordnung nach
den Fig. 6 und 7 gezeigt ist. Die vorerwähnten Sägezahnrefe
renzspannungen, die hier benutzt werden, werden ebenfalls in
der vorliegenden Analogschaltungseinrichtung automatisch er
zeugt. Eine Unÿunction-Kippgeneratorschaltungskomponente 111
erzeugt die Sägezahnwellenform, die dann an die betriebsmäßig
zugeordnete Operations- und Pufferverstärkereinrichtungen 112
und 113 angelegt wird. Die Ausgangswellenform der Verstärker
einrichtung 112 wird zu einem Referenzsignal zum Vergleich in
der Verstärkereinrichtung 106, während sie auch an die Ver
stärkereinrichtung 113 angelegt wird, in der eine Polaritäts
umkehrung erfolgt. Die Ausgangswellenform der Verstärkerein
richtung 113 wird zu dem Referenzsignal für den Vergleich in
der Verstärkereinrichtung 110.
Die Fig. 9A, 9 B und 9 C zeigen Längsseitenansichten von drei
verschiedenen Konstruktionen einer piezokeramischen Relaisein
richtung bimorphen Typs, die in der vorliegenden Steuerein
richtung benutzt werden kann. Die Relaiseinrichtung in Fig.
9A ermöglicht einen langfristigen, zuverlässigen Betrieb auf
die oben in Verbindung mit den Fig. 2 und 4 beschriebene Wei
se, wobei Strom zwischen einem Paar Heizelementen in der Koch
feld- und in der Backofeneinrichtung eines dargestellten Elek
troherdes mit einem einzigen Relais geschaltet werden kann.
Die Relaiseinrichtung, die in Fig. 9B gezeigt ist, repräsen
tiert eine andere strukturelle Form, welche ermöglicht, Strom
einem Paar Heizelementen in verschiedenen elektrischen Heiz
vorrichtungen bei dem Biegen von separaten Biegeelementen in
derselben Richtung zuzuführen. Die Relaiseinrichtung in Fig.
9C zeigt noch eine weitere bauliche Ausführungsform, die fern
angeordnete, bewegliche Kontakteinrichtungen hat, die einem
einzelnen Biegeelement betriebsmäßig zugeordnet sind, sowie
entfernte Anschlußeinrichtungen zur Verbindung mit der Strom
quelle. Die letztgenannte Einrichtung ist ebenfalls geeignet,
Strom einem einzelnen Heizelement in verschiedenen Arten von
elektrischen Heizvorrichtungen zuzuführen, wobei einzelne Re
lais erforderlich sind, um jedem Heizelement Strom zu liefern.
Sämtliche gezeigten Ausführungsformen werden jedoch in der
vorliegenden Steuerschaltungsanordnung auf ähnliche Weise be
trieben, indem ein bewegliches Biegeteil veranlaßt wird, sich
aufgrund der Steuersignale zu biegen und einen Stromkreis zwi
schen der Stromquelle und Klemmeneinrichtungen zu schließen,
die mit dem betätigten Biegeteil in der gesteuerten Vorrich
tung separat verbunden sind. Aus diesem Grund werden diesel
ben Buchstaben- und Ziffernbezeichnungen in der vorliegenden
Zeichnung benutzt, um gemeinsame strukturelle Elemente in den
Relaisausführungsformen sowie gemeinsame Klemmenverbindungen
so weit wie möglich zu bezeichnen.
In Fig. 9A ist die piezokeramische Biegeschaltvorrichtung 120
mit wenigstens zwei ebenen piezokeramischen Plattenelementen
versehen, die durch eine obere Platte 172 und eine untere
Platte 174 gebildet sind, wie es in der Zeichnung ersichtlich
ist. Die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 sind in
entgegengesetzter Parallelanordnung sandwichartig auf entge
gengesetzten Seiten von wenigstens einer zentralen, leitfähi
gen Oberfläche 176 befestigt und haben äußere leitfähige
Oberflächen 178 bzw. 180, welche von einander und von der
zentralen leitfähigen Oberfläche 176 durch die dazwischen an
geordneten Dicken der piezokeramischen Plattenelemente iso
liert sind. Die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174
können aus Bleizirkonattitanat, Bleimetaniobat, Bariumtitanat
oder anderen bekannten piezokeramischen Materialien bestehen.
Die leitfähigen Oberflächen 176, 178 und 180 können mit
Nickel, Silber od.dgl. leitfähigen Materialien hergestellt
sein, welche abgeschieden oder auf andere Weise an den Plat
tenelementen 172 und 174 befestigt sind. Die Biegeschaltvor
richtung enthält weiter einen Satz von zusammenwirkenden
festen elektrischen Schaltkontakten 182 und 184, die an einer
relativ starren Halteeinrichtung befestigt sind und ausrei
chend biegsam sein können, um einen Stoß zu dämpfen, und durch
Biegen eines vorpolarisierten, beweglichen Biegeteils ge
schlossen werden, das durch die piezokeramischen Plattenele
mente 172 A und 174 A der Biegeschaltvorrichtung gebildet wird.
Die Kontakte 182 und 184 wirken mit elektrisch isolierten Kon
takten 186 bzw. 190 zusammen, welche auf dem beweglichen Ende
der Biegevorrichtung 172, 174 gebildet sind, wenn sie durch
Steuersignale betätigt werden, die gemäß der vorliegenden
Steuereinrichtung geliefert werden. Die beweglichen Biegetei
le 172, 174 der piezokeramischen Schalteinrichtung 120 sind
auf freitragende Weise durch eine Klemmeinrichtung physisch
gehalten, die bei 192 gezeigt ist und dazu dient, die piezo
keramischen Plattenelemente 172 und 174 sowohl physisch zu
tragen als auch mit der zentralen leitfähigen Oberfläche 176,
die sandwichartig zwischen ihnen angeordnet ist, zusammenzu
spannen. Die Klemmeinrichtung 192 ist über Teilen 172 B und
174 B der piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 angeord
net, die nicht vorpolarisiert worden sind und deshalb ungepolt
und elektrisch neutral sind, im Gegensatz zu den vorpolarisier
ten aktiven, beweglichen Biegeteilen 172 A und 174 A der Plat
tenelemente, auf denen die Kontakte 186 und 190 vorgesehen
sind. Vorzugsweise ist die Klemmeinrichtung 192 über den En
den der nichtpolarisierten oder ungepolten Teile 172 B und 174 B
angeordnet, welche den Enden des vorpolarisierten, aktiven,
beweglichen Biegeteils, der durch die Plattenelementteile 172 A
und 174 A, die vorpolarisiert worden sind, gebildet wird, un
mittelbar benachbart und in diesen physisch integriert sind.
Es ist herausgefunden worden, daß dadurch, daß die piezokera
mischen Plattenelemente auf diese Weise befestigt werden, die
Anzahl der Ausfälle aufgrund von Brechen des Keramikmaterials
an dessen Abstützungspunkten stark reduziert wird. Die Klem
meneinrichtungen T 3, T 4 und die gemeinsame Klemme T c bilden
die Einrichtung, durch die das Gleichstromerregerpotential
wahlweise an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biege
plattenteile 172 A bzw. 174 A aufgrund von Steuersignalen ange
legt wird, welche bei der vorliegenden Steuerschaltungsanord
nung (nicht dargestellt) geliefert werden. Dieses Erregerpo
tential, das auch mit der Steuerschaltungsanordnung angelegt
wird, bewirkt, daß sich der bewegliche Biegeteil selektiv
biegt und seine Kontakte 186 und 190 jeweils an den zusammen
wirkenden festen Kontakten 182 bzw. 184 schließt. Bei dem
Schließen eines Paares von zusammenwirkenden Kontakten wird
ein elektrischer Stromkreis zwischen den Klemmen L 1, die mit
der Stromquelle verbunden sind, und einer der weiteren Klemmen
T 1 und T 2 geschlossen, die mit den Anschlußeinrichtungen der
betriebsmäßig zugeordneten Heizelemente in der gesteuerten
Vorrichtung separat verbunden sind. Demgemäß schließt eine
Aufwärtsbiegung des Biegeteils einen elektrischen Stromkreis
zwischen der Stromquelle und der Klemme T 1, wogegen eine Ab
wärtsbiegung des Biegeteils einen ähnlichen Stromkreis zu der
Klemme T 2 schließt. Wenn das Gleichstromerregerpotential an
der Klemme T 3 oder T 4 abgeschaltet wird, kehrt der aktive, be
wegliche Biegeteil in seine zentrale, neutrale, unerregte Po
sition zurück, wodurch jedweder Satz von zusammenwirkenden
Kontakten 182, 186 oder 184, 190, der geschlossen worden ist,
geöffnet wird.
Die piezokeramische Biegeschaltvorrichtung 194, die in Fig.
9B gezeigt ist, hat eine allgemeine strukturelle Konfigura
tion, die der oben beschriebenen Relaisausführungsform gleicht,
weshalb dieselbe Buchstaben- und Ziffernbezeichnung beibehal
ten worden ist, um gemeinsame strukturelle Elemente in der
vorliegenden Relaiseinrichtung zu bezeichnen. Die vorliegende
Relaiseinrichtung ist unterschiedlich insofern, als sie ein
Paar gegabelter, beweglicher Biegeteile 172 A, 174 A und 173 A,
175 A hat, welche zum Schließen von elektrischen Stromkreisen
zu den Klemmen T 1 und T 2 separat betätigt werden. Dabei sind
die beweglichen Kontakte 186 und 190 auf derselben Seite der
einzelnen beweglichen Biegeteile 172 A, 174 A bzw. 173 A, 175 A
befestigt, um den gewünschten unabhängigen Betrieb der be
triebsmäßig zugeordneten Heizelemente zu ermöglichen. Separate
Klemmeneinrichtungen sind auch für die einzelnen beweglichen
Biegeteile vorgesehen, wodurch das Gleichstromerregerpotential
individuell an die keramischen Plattenelemente jedes bewegli
chen Biegeteils angelegt werden kann, zusammen mit separaten
Klemmeneinrichtungen, die zum Schließen von individuellen
Stromkreisen zwischen der Stromquelle und einer der gesteuer
ten Einrichtungen vorgesehen sind. Demgemäß bilden die Klem
meneinrichtungen T 3, T 4 und die gemeinsame Klemme T c die Ein
richtung, durch die das Gleichstromerregerpotential wahlweise
an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeplattentei
le 172 A und 174 A auf die Steuersignale hin angelegt wird, wo
gegen die Klemmen T 3′, T 4′ und die gemeinsame Klemme T c die
entsprechende Einrichtung für die beweglichen Biegeplatten
teile 173 A und 175 A bilden. Bei dem Schließen des zusammenwir
kenden Kontaktpaares 182, 186 wird ein elektrischer Stromkreis
zwischen der Klemme L 1, die mit der Stromquelle verbunden ist,
und der Klemme T 1, die mit der Anschlußeinrichtung des zuge
ordneten Heizelements verbunden ist, geschlossen. Auf ähnli
che Weise wird durch das Schließen des zusammenwirkenden Kon
taktpaares 184, 190 ein elektrischer Stromkreis zwischen der
Klemme L 1′, welche ebenfalls mit der Stromquelle verbunden
ist, und der Klemme T 2, die mit einem anderen Heizelement ver
bunden ist, geschlossen. Weiter ist der Zeichnung zu entneh
men, daß beide elektrische Stromkreise bei einer Abwärtsbie
gung der gegabelten, beweglichen Biegeteile geschlossen wer
den und daß die beweglichen Biegeteile die zusammenwirkenden
Kontakteinrichtungen auf Abstand voneinander halten, wenn sie
in einem unerregten Zustand sind. Sowohl die Steuersignale als
auch das Erregerpotential, welche die separate Betätigung der
einzelnen beweglichen Biegeteile gestatten, sind wieder bei
der vorliegenden Steuerschaltungsanordnung (nicht dargestellt)
vorgesehen.
Die piezokeramische Biegeschaltvorrichtung 196, die in Fig.
9C gezeigt ist, hat ebenfalls eine allgemeine strukturelle
Konfiguration ähnlich der Ausführungsform nach Fig. 9A, so daß
wiederum dieselbe Buchstaben- und Ziffernbezeichnung in der
vorliegenden Zeichnung beibehalten wird, um die gemeinsamen
baulichen Elemente zu bezeichnen. Aus der vorliegenden Zeich
nung ist jedoch zu erkennen, daß die Verwendung eines einzigen
Paares von zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen in dieser
Relaisausführungsform ermöglicht, Strom nur einem einzelnen
Heizelement zuzuführen. Demgemäß sind die piezokeramischen
Plattenelemente 172 und 174 in entgegengesetzter Parallelan
ordnung sandwichartig auf entgegengesetzten Seiten wenigstens
einer zentralen leitfähigen Oberfläche 176 befestigt und ha
ben äußere leitfähige Oberflächen 178 bzw. 180, welche von
einander und von der zentralen leitfähigen Oberfläche 176
durch die dazwischen angeordneten Dicken der Plattenelemente
isoliert sind. Die Biegeschaltvorrichtung enthält weiter ein
Paar der zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen 184, 190, wel
che durch Abwärtsbewegung eines vorpolarisierten, beweglichen
Biegeteils geschlossen werden, das durch die piezokeramischen
Plattenelemente 172 A und 174 A der Biegeschaltvorrichtung ge
bildet wird. In dieser Hinsicht ist jedoch zu erkennen, daß
das bewegliche Kontaktelement 190 auf einem elektrisch leit
fähigen Federelement 198 angeordnet ist und daß sowohl der be
wegliche Biegeteil als auch das Federelement durch ein Iso
lierblockelement 200 zur gemeinsamen Bewegung miteinander ver
bunden sind. Durch weiteres elektrisches Verbinden des Feder
elements 198 mit der Stromquelle gemäß der Darstellung in der
vorliegenden Zeichnung besteht keine weitere Notwendigkeit,
den beweglichen Kontakt mit einem flexiblen Drahtleiter oder
einer "fliegenden Leitung", wie sie in den vorhergehenden Aus
führungsformen benutzt wird, zu verbinden. Die beweglichen
Biegeteile 172, 174 der piezokeramischen Schaltvorrichtung 196
sind zusammen mit dem Federelement 198 an den entgegengesetz
ten Enden durch die Klemmeinrichtung einseitig eingespannt
physisch gehalten, welche bei 192 gezeigt ist und wiederum da
zu dient, die piezokeramischen Plattenelemente 172 und 174 mit
der dazwischen angeordneten zentralen leitfähigen Oberfläche
176 physisch zu halten und zusammenzuspannen. Die Klemmein
richtung 192 ist über Teilen 172 B und 174 B der piezokerami
schen Plattenelemente 172 und 174 angeordnet, die nicht vorpo
larisiert und deshalb ungepolt und elektrisch neutral sind,
im Gegensatz zu den vorpolarisierten, aktiven, beweglichen
Biegeteilen 172 A und 174 A der Plattenelemente. Wiederum bilden
die Klemmeneinrichtungen T 3, T 4 und die gemeinsame Klemme T c
die Einrichtung zum Anlegen des Gleichstromerregerpotentials
an die vorpolarisierten, aktiven, beweglichen Biegeplattentei
le 172 A und 174 A auf die Steuersignale hin, was alles mit der
vorliegenden Steuerschaltungsanordnung (nicht dargestellt) ausge
führt wird. Bei dem Schließen der beiden zusammenwirkenden
Kontakte 184, 190 auf die Steuersignale hin kann wieder fest
gestellt werden, daß ein elektrischer Stromkreis zwischen der
Stromquelle, die mit dem Federelement 198 an der Klemme L 1
verbunden ist, und dem zugeordneten Heizelement, das mit der
Klemme T 1 verbunden ist, geschlossen wird. Es ist weiter in
der Ausführungsform zu erkennen, daß das Abschalten des
Gleichstromerregerpotentials an der Klemme T 3 oder T 4 bewirkt,
daß der aktive, bewegliche Biegeteil das zusammenwirkende Kon
taktpaar öffnet, welches bei unerregtem Zustand des Biegeteils
in gegenseitigem Abstand bleibt. Für den Fachmann ist weiter
zu erkennen, daß eine ähnliche individuelle Regelung der Ein
gangsleistung eines zweiten Heizelements in der Heizvorrich
tung mit einer zweiten piezokeramischen Biegeschaltvorrichtung
erfolgen kann, welche denselben Aufbau hat und ebenso mit dem
zweiten Heizelement in der Vorrichtung in Reihe geschaltet
ist.
Fig. 10 ist ein Funktionsschaltbild, das ein repräsentatives
Leistungsregelsystem in Verbindung mit dem Haushaltselektro
herd zeigt, der in Verbindung mit den Fig. 1-8 oben beschrie
ben worden ist. Dieselben Ziffern- und Buchstabenbezeichnungen,
die in den obigen Beschreibungen benutzt worden sind, werden
beibehalten, um gemeinsame oder ähnliche Schaltungskomponenten
in der vorliegenden Ausführungsform zu bezeichnen. Demgemäß
wird bei dem Elektroherd 10 eine Kochfeldeinrichtung 12 be
nutzt, die vier Widerstandsheizelemente 14, 16, 18 und 20 hat,
welche jeweils piezokeramische Relaiseinrichtungen 50, 52, 54
bzw. 56 haben, die einzeln mit den Heizelementen in Reihe ver
bunden sind. Außerdem sind mit den einzelnen Heizelementen ma
nuell betätigte, normalerweise offene, jeweils im offenen Zu
stand einen Luftspalt aufweisende Schalteinrichtungen S 1, S 2,
S 3 und S 4 verbunden, so daß die Versicherungsbestimmungen er
füllt sind, indem beide Starkstromleiter L 1 und L 2 durch ei
nen Luftspalt unterbrochen sind, wenn die einzelnen Heizele
mente nicht in Betrieb sind. Die Leistungsselektoreinrichtung
44 liefert Leistungssteuersignale für den individuellen Be
trieb der Heizelemente in der Kochfeldeinrichtung, welche
durch miteinander verbundene Analog- oder Digitalschaltungs
einrichtungen 46 weiter verarbeitet werden, um den Prozent
satz der Zeit einzustellen, während welcher den individuellen
Heizelementen im Betrieb Strom zugeführt wird. Die verarbeite
ten Leistungssteuersignale werden an die weiter miteinander
verbundenen Schaltkreiseinrichtungen 48 zur individuellen Be
tätigung der betriebsmäßig zugeordneten piezokeramischen Re
laiseinrichtung angelegt. Die Betätigung der Relaiseinrichtun
gen erfolgt mit einem Gleichstromerregerpotential, welches
durch die Schaltkreiseinrichtungen erzeugt wird, die bewirken,
daß das betätigte Biegeteil einer Relaiseinrichtung sich biegt,
um dadurch eine elektrische Verbindung der Stromquelle mit dem
Heizelement herzustellen, welches dem betätigten Biegeteil be
triebsmäßig zugeordnet ist. Die auf diese Weise erfolgende
Einzelbetätigung der Relaiseinrichtungen 50, 52, 54 und 56
ist in der vorliegenden Zeichnung mit gestrichelten Linien
dargestellt, wobei auch gezeigt ist, daß die Relaiseinrichtun
gen einen Luftspalt zwischen den Kontakteinrichtungen auf
rechterhalten, wenn sie in einem unerregten Zustand sind. Ein
Temperaturmeßelement 161 D ist ebenfalls in der vorliegenden
Kochfeldeinrichtungsauführungsform gezeigt, um eine Temperatur
steuereinrichtung zu veranschaulichen, welche für ein reprä
sentatives Heizelement 14 vorgesehen ist, obgleich gleiche
oder ähnliche Steuereinrichtungen in Verbindung mit den übri
gen Heizelementen benutzt werden können. Das Temperaturmeß
element 161 D gibt Signale an die Analog- oder Digitalschal
tungseinrichtungen 46 ab, welche ermöglichen, automatische
Temperatursteuersignale, die darin ebenfalls erzeugt werden,
an die Schaltkreiseinrichtungen 48 anzulegen und infolgedessen
die betriebsmäßig zugeordneten piezokeramischen Relaiseinrich
tungen zu betätigen, welche auf diese Weise gesteuert werden.
Wie oben dargelegt, ergibt die Verwendung einer Festkörpertem
peratursteuereinrichtung in der dargestellten Steuerschaltungs
anordnung eine präzisere Temperatursteuerung mit einem konti
nuierlichen Rückführungssignal über einem großen Teil des ge
wünschten Betriebstemperaturbereiches, wenn nicht über dem ge
samten gewünschten Betriebstemperaturbereich, in der darge
stellten Kochfeldeinrichtungsausführungsform. Eine Anzeige
lampe 38 B ist auch dargestellt zur Verwendung bei der darge
stellten Kochfeldeinrichtungsausführungsform als eine Einrich
tung zum Informieren der Bedienungsperson immer dann, wenn
irgend eines der gesteuerten Heizelemente in Betrieb ist.
Eine Backofeneinrichtung 32 wird ebenfalls in dem dargestell
ten Haushaltselektroherd benutzt, bei der zwei Widerstandsheiz
elemente 68 und 70 benutzt werden. Relaiseinrichtungen 62 und
66 sind mit den Heizelementen in Reihe geschaltet, wogegen ei
ne dritte Relaiseinrichtung 64 die Verbindung mit dem Null-
Starkstromleiter N ermöglicht, was alles auf die oben bereits
in Verbindung mit der Schaltungsausführungsform nach Fig. 4
beschriebene Weise erfolgt. Normalerweise offene, manuell be
tätigte, im offenen Zustand einen Luftspalt aufweisende Schalt
einrichtungen S 5 und S 6 sind ebenfalls mit den Widerstandsheiz
elementen in Reihe geschaltet, wodurch wiederum die Versiche
rungsvorschriften bei dem Elektroherd erfüllt werden. Eine
Zeitgebereinrichtung 40 ermöglicht das Schließen eines Strom
kreises zu manuell betätigten Steuereinrichtungen 36, welche
weiter interne Schaltkontakte zum Auswählen von repräsentati
ven Betriebsfunktionen in der Backofeneinrichtung wie Aus,
Zeit-Backen, Grillen, Selbstreinigen und Backen aufweist. Die
Steuereinrichtung 36 gestattet einer Bedienungsperson, eine
Leistungseinstellung auszuwählen, durch welche der Prozentsatz
der Zeit wieder eingestellt wird, in welcher diese Heizelemen
te mit Strom versorgt werden. Eine weitere manuell betätigte
Steuereinrichtung 38 ermöglicht der Bedienungsperson, die
Kochtemperatur in dem Backofenraum zu wählen, wenn die Heiz
elemente mit der zugeordneten Temperaturmeßeinrichtung 161 D
betrieben werden. Demgemäß werden sowohl Leistungssteuer- als
auch Temperatursteuersignale auf derartige Weise erzeugt und
an die weiter angeschlossenen Schalteinrichtungen 48 abgege
ben, daß die Schaltungseinrichtung wiederum die individuelle
Betätigung der betriebsmäßig zugeordneten Relaiseinrichtungen
62, 64 und 66 im wesentlichen auf dieselbe Weise bewirkt, wie
es oben in Verbindung mit der vorliegenden Kochfeldeinrich
tungsausführungsform beschrieben worden ist. Diese individuel
le Betätigung der Relaiseinrichtungen 62, 64 und 66 in der vor
liegenden Backofeneinrichtungsausführungsform ist durch ge
strichelte Linien gezeigt, wobei außerdem dargestellt ist, daß
alle Relaiseinrichtungen den Luftspaltabstand aufrechterhalten,
wenn sie nicht erregt sind. Eine Anzeigelampe 38 B ist eben
falls in der vorliegenden Backofeneinrichtungsausführungsform
vorgesehen, um eine Bedienungsperson zu informieren, daß die
Backofenheizelemente in Betrieb sind.
Der Betrieb der oben beschriebenen Elektroherdausführungsform
beinhaltet dadurch die Schritte (a) Auswählen einer Leistungs
einstellung für ein einzelnes Heizelement in der Kochfeldein
richtung unter mehreren Leistungseinstellungen, (b) Umwandeln
der gewählten Leistungseinstellung für das einzelne Heizele
ment in der Kochfeldeinrichtung in erste Leistungssteuersigna
le, (c) Benutzen der ersten Leistungssteuersignale für das
einzelne Heizelement in der Kochfeldeinrichtung zum Betätigen
einer ersten vorgepolten piezokeramischen Relaiseinrichtung,
um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem einzel
nen Heizelement in der Kochfeldeinrichtung zu schließen, (d)
Messen der Temperatur, die mit dem arbeitenden Heizelement in
der Kochfeldeinrichtung erreicht wird, um erste Temperatur
steuersignale zu erzeugen, (e) Beendigen der Leistungsaufnahme
des einzelnen Heizelements in der Kochfeldeinrichtung, wenn
die gemessene Temperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht,
durch Bewirken, daß die zusammenwirkenden Kontakteinrichtungen
der ersten piezokeramischen Relaiseinrichtung mit den ersten
Temperatursteuersignalen geöffnet werden, (f) Auswählen einer
Leistungseinstellung für ein einzelnes Heizelement in der
Backofeneinrichtung unter mehreren Leistungseinstellungen, (g)
Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung für das einzelne
Heizelement in der Backofeneinrichtung in zweite Leistungs
steuersignale, (h) Benutzen der zweiten Leistungssteuersigna
le zum Betätigen einer zweiten vorgepolten, piezokeramischen
Relaiseinrichtung, um einen Stromkreis zwischen der Stromquel
le und dem einzelnen Heizelement in der Backofeneinrichtung
zu schließen, (i) Messen der Temperatur, die mit dem arbeiten
den Heizelement in der Backofeneinrichtung erzeilt wird, um
zweite Temperatursteuersignale zu erzeugen, und (j) Beendigen
der Leistungsaufnahme des einzelnen Heizelements in der Back
ofeneinrichtung, wenn die gemessene Temperatur eine vorbe
stimmte Temperatur erreicht, durch Bewirken, daß die zusammen
wirkenden Kontakteinrichtungen der zweiten piezokeramischen
Relaiseinrichtung mit den zweiten Temperatursteuersignalen ge
öffnet werden.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß ein einen
breiten Anwendungsbereich aufweisendes Leistungsregelsystem of
fenbart worden ist, welches einen effizienteren Betrieb einer
elektrischen Heizvorrichtung ermöglicht. Es ist außerdem zu
erkennen, daß Modifikationen in den speziellen Verfahren,
Steuereinrichtungen und gesteuerten Vorrichtungen, wie sie
hier offenbart worden sind, im Rahmen der Erfindung möglich
sind. Zum Beispiel können noch weitere Steuerfunktionen als
die oben speziell offenbarten ohne weiteres in die automati
schen Festkörperschaltungseinrichtungen, die hier beschrieben
sind, für einen modifizierten Betrieb der Heizeinrichtungen
einprogrammiert werden. Ebenso ist es möglich, die hier offen
barten Analogschaltungseinrichtungen durch digitale integrier
te Schaltungseinrichtungen zu ersetzen und dabei dieselben
Steuerungsprinzipien beizubehalten, die hier für die vorlie
gende Erfindung offenbart worden sind. Während die Analogschal
tungseinrichtungen, die hier offenbart worden sind, vielleicht
am einfachsten zur Zeit in der bekannten CMOS-Technologie re
alisiert werden können, ist auch klar, daß zahlreiche andere
Verfahren bekannt sind, um solche elektronischen Schaltungs
vorrichtungen zu schaffen, wie zum Beispiel DMOS, PHMOS, NMOS,
usw. Weiter ist auch klar, daß statt Transistoren auch andere
Halbleiterelemente als die hier dargestellten aktiven Vorrich
tungen für die offenbarte Steuerschaltungsanordnung benutzt
werden können.
Claims (10)
1. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung
einer elektrischen Heizvorrichtung, in der wenigstens ein
Widerstandsheizelement (14, 16, 18, 20) benutzt wird, ge
kennzeichnet durch folgende Kombination:
- (a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) die so angeschlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement (14, 16, 18, 20) ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrich tung eine Anschlußeinrichtung (T 3, T 4, T c ) zur Verbin dung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorge poltes, piezokeramisches Biegeteil (41) aufweist, das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen (33) hat, welche mit zugeordneten festen elektrischen Kontaktein richtungen (35) zusammenwirken, wobei die festen elek trischen Kontakteinrichtungen (35) mit der Anschlußein richtung (T 1) des Heizelements (14, 16, 18, 20) ver bunden sind und das piezokeramische Biegeteil (41) in einem unerregten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen (33) auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) hält, und
- (b) eine Steuerschaltungsanordnung (46, 48), die auf die durch eine Bedienungsperson gewählte Leistungseinstel lung anspricht und direkt und ohmisch mit der Strom quelle und der Anschlußeinrichtung (T 3, T 4, T c ) der piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) ver bunden ist, die auf Steuersignale zum Betätigen des beweglichen piezokeramischen Biegeteils (41) anspricht und bewirkt, daß sich das Biegeteil (41) biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein richtung (T 1) des Heizelements (14, 16, 18, 20) schließt.
2. Leistungsregelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß die Steuerschaltungsanordnung (46, 48) auf Steuer
signale anspricht, welche durch eine Temperaturmeßein
richtung (38 A) erzeugt werden.
3. System zum Regeln der elektrischen Eingangsleistung
einer elektrischen Heizvorrichtung, die eine Kochfeldein
richtung (12) hat, bei welcher wenigstens ein Widerstands
heizelement (14, 16, 18, 20) benutzt wird, gekennzeichnet
durch folgende Kombination:
- 1(a) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56), die so angeschlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement (14, 16, 18, 20) er möglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung (T 3, T 4, T c ) zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (41) aufweist, das beweg liche elektrische Kontakteinrichtungen (33) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) mit der Anschlußeinrichtung (T 1) des Heizelements (14, 16, 18, 20) verbunden sind und das piezokeramische Biegeteil (41) in einem uner regten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakt einrichtungen (33) auf Abstand von den festen elektri schen Kontakteinrichtungen (35) hält, und
- (b) eine Steuerschaltungsanordnung (46, 48), die auf eine Leistungseinstellung anspricht, welche durch eine Be dienungsperson gewählt wird, und auf Temperatursteuer signale, wobei die Schaltungsanordnung direkt und ohmisch mit der Stromquelle und mit einer Anschlußeinrichtung (T 3, T 4, T c ) der piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) verbunden ist, welche bewirkt, daß sich das Biegeteil (41) biegt, um einen Stromkreis zwi schen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung (T 1) des Heizelements (14, 16, 18, 20) zu schließen.
4. Leistungsregelsystem nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Steuerschaltungsanordnung (46, 48) wei
ter eine Dioden-Kondensatorschaltung (87) zum Erzeugen ei
nes Hochspannungsgleichstromerregerpotentials zum Betätigen
der piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56)
aufweist.
5. Elektroherd, bei dem wenigstens ein Widerstandsheizele
ment benutzt wird, gekennzeichnet durch folgende Kombina
tion:
- (a) eine Leistungseinstellungsselektoreinrichtung (44), welche einer Bedienungsperson ermöglicht, den gewünsch ten Betriebsleistungswert für das Heizelement (68, 70) zu wählen,
- (b) eine Temperatursteuereinrichtung (38),
- (c) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 64, 66), die so angeschlossen ist, daß sie eine Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement (68, 70) ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 64, 66) eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezo keramisches Biegeteil (41), das bewegliche elektrische Kontakteinrichtung (33) hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen (35) zusammen wirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrich tungen (35) mit der Anschlußeinrichtung (T 1) des Heiz elements (68, 70) verbunden sind und wobei das piezo keramische Biegeteil (41) in einem unerregten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen (33) auf Abstand von den festen elektrischen Kontaktein richtungen (35) hält, und
- (d) eine Steuerschaltungsanordnung (36, 48), die auf eine durch einen Benutzer gewählte Leistungseinstellung und auf Temperatursteuersignale anspricht, wobei die Schaltungsanordnung direkt und ohmisch mit der Strom quelle und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaiseinrichtung (62, 64, 66) verbunden ist, welche bewirkt, daß sich das vorgepolte piezokeramische Biege teil (41) biegt und einen Stromkreis zwischen der Strom quelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements (62, 64, 66) schließt.
6. Elektroherd nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerschaltungsanordnung (36, 48) Steuersignale
erzeugt, welche die piezokeramische Relaiseinrichtung
(62, 64, 66) über angeschlossene Festkörperschaltungsein
richtungen (46, 71, 73) betätigen.
7. Elektroherd, bei dem wenigstens zwei Widerstandsheiz
elemente (68, 70) benutzt werden, gekennzeichnet durch
folgende Kombination:
- (a) eine Leistungseinstellungsselektoreinrichtung (44), die einer Bedienungsperson ermöglicht, den gewünschten Leistungswert jedes Heizelements (68, 70) zu wählen,
- (b) eine Temperatursteuereinrichtung (38),
- (c) eine piezokeramische Relaiseinrichtung (120), die so angeschlossen ist, daß sie die individuelle Verbindung der Stromquelle mit jedem Heizelement (68, 70) ermög licht, wobei die Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrich tung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein beweg liches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (172, 174) aufweist, das zusammenwirkende elektrische Kontakt einrichtungen (33, 35) zur individuellen Verbindung mit der Anschlußeinrichtung, die an jedem Heizelement (68, 70) vorgesehen ist, hat, und
- (d) eine Steuerschaltungsanordnung (36, 48), die direkt und ohmisch mit der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung der piezokeramischen Relaiseinrichtung (120) verbunden ist und auf eine durch eine Bedienungsperson gewählte Leistungseinstellung und auf Temperatursteuersignale anspricht, um das Biegeteil (172, 174) zu veranlassen, sich in einer ersten Richtung zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein richtung eines Heizelements zu schließen oder sich in einer zweiten Richtung zu biegen, um einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des anderen Heizelements zu schließen.
8. Elektroherd mit mehreren Widerstandsheizelementen (14,
16, 18, 20, 68, 70), mit einer Leistungseinstellungsselek
toreinrichtung (44), die einer Bedienungsperson ermöglicht,
den gewünschten Betriebsleistungswert für jedes Heizelement
zu wählen, mit einer Temperatursteuereinrichtung (38) und
mit einer Steuereinrichtung (46) zum Regeln der Wechsel
stromeingangsleistung der einzelnen Heizelemente (14, 16, 28
20, 68, 70), gekennzeichnet durch:
- (a) eine Kochfeldeinrichtung (12), die wenigstens ein Wider standsheizelement (14, 16, 18, 20) und eine piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) aufweist, welche so an geschlossen ist, daß sie die Verbindung der Wechselstrom quelle mit dem Heizelement ermöglicht, wobei die piezo keramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) eine Anschluß einrichtung aufweist zur Verbindung mit der Wechselstrom quelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (41), das bewegliche elektrische Kontakteinrich tungen hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kon takteinrichtungen zusammenwirken, wobei die festen elek trischen Kontakteinrichtungen mit einer Anschlußeinrichtung des Heizelements (14, 16, 18, 20) verbunden sind und wobei das piezokeramische Biegeteil (41) in einem unerregten Zu stand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält,
- (b) eine Steuerschaltungsanordnung (46, 48), welche die piezokeramische Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) in der Kochfeldeinrichtung (12) in Abhängigkeit von einer durch eine Bedienungsperson gewählten Leistungseinstellung und von Temperatursteuersignalen betreibt, wobei die Schaltungsan ordnung direkt und ohmisch mit der Wechselstromquelle und mit der Anschlußeinrichtung der betriebsmäßig zugeordneten piezokeramischen Relaiseinrichtung (50, 52, 54, 56) ver bunden ist und auf die Steuersignale anspricht, um das bewegliche, piezokeramische Biegeteil (41) zu betätigen, und das Biegeteil (41) veranlaßt, sich zu biegen und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußein richtung des Heizelements (14, 16, 18, 20) herzustellen,
- (c) eine Backofeneinrichtung (32), die wenigstens ein Widerstandsheizelement (68, 70) und eine piezokeramische Relaiseinrichtung (62, 66) aufweist, welche so angeschlos sen ist, daß sie die Verbindung der Wechselstromquelle mit dem Heizelement (68, 70) ermöglicht, wobei die piezo keramische Relaiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Wechselstromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil (41), das bewegliche elektrische Kontakteinrichtungen hat, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrich tungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kon takteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des Heiz elements verbunden sind und wobei das piezokeramische Bie geteil (41) in einem unerregten Zustand die beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen auf Abstand von den festen elektrischen Kontakteinrichtungen hält, und
- (d) eine Steuerschaltungsanordnung (38, 40, 48), welche die piezokeramische Relaiseinrichtung (62; 66) in der Backofeneinrichtung (32) auf eine durch eine Bedienungs person gewählte Leistungseinstellung und auf Temperatur steuersignale hin betätigt, wobei die Schaltungsanordnung direkt und ohmisch mit der Wechselstromquelle und mit der Anschlußeinrichtung der betriebsmäßig zugeordneten piezo keramischen Relaiseinrichtung verbunden ist, welche auf die Steuersignale anspricht, um das bewegliche, piezo keramische Biegeteil (41) zu betätigen, und bewirkt, daß sich das Biegeteil biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements schließt.
9. Verfahren zum Regeln der Eingangsleistung einer elek
trischen Heizvorrichtung, bei der wenigstens ein Wider
standsheizelement benutzt wird, gekennzeichnet durch fol
gende Schritte:
- (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für das Heiz element unter mehreren Leistungseinstellungen,
- (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in Steuersignale, und
- (c) Benutzen der Steuersignale zum Betätigen einer vorge polten, piezokeramischen Relaiseinrichtung, die so ange schlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem Heizelement ermöglicht, wobei die piezokeramische Re laiseinrichtung eine Anschlußeinrichtung aufweist zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vor gepoltes, piezokeramisches Biegeteil mit beweglichen elek trischen Kontakteinrichtungen, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrichtungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kontakteinrichtungen mit der An schlußeinrichtung des Heizelements verbunden sind und da durch bewirken, daß sich das piezokeramische Biegeteil biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des Heizelements schließt.
10. Verfahren zum Regeln der Eingangsleistung eines Elek
troherdes, der eine Kochfeldeinrichtung hat, welche wenig
stens ein Widerstandsheizelement aufweist, eine Leistungs
einstellungsselektoreinrichtung, die einer Bedienungsper
son ermöglicht, den gewünschten Betriebsleistungswert für
ein einzelnes Heizelement zu wählen, eine Temperatursteuer
einrichtung und eine Steuereinrichtung zum Steuern der
Eingangsleistung eines einzelnen Heizelements, gekennzeich
net durch folgende Schritte:
- (a) Auswählen einer Leistungseinstellung für ein einzelnes Heizelement unter mehreren Leistungseinstellungen,
- (b) Umwandeln der gewählten Leistungseinstellung in Lei stungssteuersignale,
- (c) Benutzen der Leistungssteuersignale zum Betätigen einer vorgepolten, piezokeramischen Relaiseinrichtung, die so angeschlossen ist, daß sie die Verbindung der Stromquelle mit dem einzelnen Heizelement ermöglicht, wobei die piezokeramische Relaiseinrichtung eine Anschluß einrichtung zur Verbindung mit der Stromquelle und ein bewegliches, vorgepoltes, piezokeramisches Biegeteil mit beweglichen elektrischen Kontakteinrichtungen aufweist, die mit zugeordneten festen elektrischen Kontakteinrich tungen zusammenwirken, wobei die festen elektrischen Kon takteinrichtungen mit der Anschlußeinrichtung des einzelnen Heizelements verbunden sind und dadurch bewirken, daß sich das piezokeramische Biegeteil biegt und einen Stromkreis zwischen der Stromquelle und der Anschlußeinrichtung des einzelnen Heizelements schließt,
- (d) Messen der Temperatur, die mit dem arbeitenden Heiz element erzielt wird, um Temperatursteuersignale zu er zeugen, und
- (e) Beendigen der Leistungsaufnahme des einzelnen Heiz elements, wenn die gemessene Temperatur eine vorbestimmte Temperatur erreicht, indem die zusammenwirkenden Kontakt einrichtungen der piezokeramischen Relaiseinrichtung veranlaßt werden zu öffnen.
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: VOIGT, R., DIPL.-ING., PAT.-ASS., 6232 BAD SODEN |
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